能量收集技术将环境中的可再生能源如太阳能、海洋能、振动能等转换为电能为微型低功耗电子设备供电,可广泛应用于军事、交通、生活、医疗等领域。其中振动能因其分布广、易获取的优势受到广大研究学者的关注。目前振动能量收集器的共振频率普遍偏高,并且只有当共振频率与外界激振频率一致时输出功率才能达到最佳。而通常环境振源的振动频率低、频率变化范围宽且随机,因此要求振动能量收集器具备较低的工作频率和较宽的工作频带以适应宽频随机的环境振源。本文针对振动能量收集器工作频率高、工作频带窄的共性关键问题,开展了非线性拓频方法的研究,分别建立了基于碰撞拓频法和双稳态拓频法的能量收集非线性拓频理论模型,系统地分析了结构参数对收集器输出性能的影响。设计了两种适用于低频振动环境的非线性振动能量收集器:基于碰撞拓频法的压电振动能量收集器和基于双稳态拓频法的压电-电磁复合振动能量收集器。碰撞式振动能量收集器采用MEMS工艺制备压电梁以实现器件微小型化,采用低频柔性梁与高频压电梁碰撞的方式将工作频带拓宽至12.8Hz。双稳态压电-电磁复合式振动能量收集器将压电和电磁换能机制结合,将收集器的输出功率提高至95.1mW,并通过双稳态振动实现了 24.2Hz的超宽工作频带,达到了非线性拓频的效果。本文的主要研究内容如下:(1)建立了非线性振动能量收集系统的理论模型,仿真分析了系统参数对非线性振动频响特性的影响,论证了非线性拓频法的可行性。通过研究碰撞式压电振动能量收集器的升频和拓频原理,建立了压电梁的输出理论模型和碰撞压电能量收集系统的集总参数等效模型。还建立了双稳态复合能量收集器的压电和电磁能量转换机制理论模型,以及双稳态压电梁的动力学模型,并对双稳态压电梁的运动特性进行了分析。(2)设计了基于碰撞拓频法的压电振动能量收集器,主要结构包括低频柔性梁和高频压电梁,其中压电梁结构采用MEMS压电厚膜工艺制备。根据碰撞系统动力学模型,通过Simulink仿真优化了柔性梁的质量和共振频率、压电梁与柔性梁的间距等结构参数。实验测得该碰撞能量收集器能够在20～30Hz的低频激振下工作,在加速度1g的正弦激励下间距4mm时碰撞能量收集器的最大输出功率为8.6μW,是单个压电梁输出功率的78倍;间距1mm时碰撞能量收集器的频带宽度最宽为12.8Hz,验证了碰撞升频机制具有提高功率和拓宽频带的效果。(3)设计了基于双稳态拓频法的压电-电磁复合式振动能量收集器,通过引入高导磁材料实现了双稳态,提高了线圈的感应电压。利用COMSOL电磁模块仿真分析磁铁和导磁材料之间的磁通密度分布,拟合出非线性磁力函数。根据已建立的压电和电磁能量转换机制理论模型和双稳态压电梁的动力学模型,对压电梁的铜基板厚度、磁铁与铁芯的距离、线圈的尺寸等参数进行仿真优化。实验测试了优化后的双稳态能量收集器的输出性能,当加速度为1.5g时输出功率达到95.1mW,并且该收集器能够在18.8～43Hz的超宽频率范围内保持较高的输出性能,工作频带宽度达到24.2Hz,说明双稳态能量收集器具备高输出功率和宽工作频带的特性。