近十几年来,随着集成电路技术与微机电系统技术的快速发展,无线传感网络节点在民用工业及国防军事领域的应用日益广泛,由此推动了利用压电材料收集环境中的振动为无线传感网络节点供能的研究。目前压电能量收集器相关的研究中,多数能量收集器在设计时采用单自由度线性结构,其特点是具有单一的固有频率。当环境振动频率偏离能量收集器的固有频率时,系统的能量收集效率将大幅下降,以致能量收集器无法对环境中常在较宽频率范围内变化的振动能进行有效收集。因此,寻找具有较宽振动工作频带范围的结构对提高能量收集器的环境适应能力及促进其实用化进程具有重要意义。针对此问题,本文以具有非线性振动特性的分段线性压电能量收集器为研究对象,对分段线性压电系统的机电耦合模型、输出电压幅频关系、输出电压稳定性及宽频俘能特性进行了全面的研究。本文首先针对目前单自由度分段线性压电能量收集器研究中使用的纯机械模型无法准确描述系统动力学关系的问题,构建了能够提高理论求解精度的单自由度分段线性压电系统机电耦合模型。通过求解对应的非线性动力学方程,得到了系统的输出电压解及幅频特性表达式,并由此对比分析了由纯机械模型和机电耦合模型求得的系统发电性能。同时基于机电耦合模型求得的系统输出电压幅频特性表达式,研究了外部激振加速度、主悬臂梁顶端质量、撞击梁刚度及撞击间距等参数对单自由度分段线性压电系统发电性能的影响。其次将多模态宽频能量收集技术与分段线性宽频能量收集技术结合,提出了新型两自由度分段线性压电能量收集器结构,建立了系统对应的机电耦合非线性动力学微分方程。利用平均法分别求解得到了系统在一阶共振区间与二阶共振区间的输出电压解及幅频关系表达式,并由此对系统各阶共振区间的发电性能进行了研究。基于所求得系统各阶共振区间的输出电压幅频特性表达式,研究了外部激振加速度、悬臂梁振动质量、撞击梁刚度及撞击间距等参数对两自由度分段线性压电系统各阶共振区间发电性能的影响。再次根据运动稳定性理论对分段线性压电系统输出电压解的稳定性进行了分析,得到了系统输出稳定电压解的判别式。结合分段线性压电能量收集器的高性能输出要求,确定了分段线性压电系统在宽频范围输出高幅值电压的外部参数激励条件。根据系统输出功率跟随外部负载与激振频率变化的特点,得到了不同激振频率下分段线性压电系统与对应线性压电系统的输出功率随负载阻抗的变化关系,对比分析了分段线性压电能量收集器与对应线性压电能量收集器在不同激振频率下的功率输出特性,研究了分段线性压电能量收集器的宽频俘能特性。最后完成了分段线性压电能量收集器实验装置的设计与加工制作,依据压电振动能量收集器发电性能实验测试要求,搭建了实验测试平台。对单自由度与两自由度分段线性压电能量收集实验装置的发电性能及系统发电性能受部分重要参数的影响进行了实验分析。与此同时,通过改变激振频率与外接负载阻抗值大小,对分段线性能量收集装置的宽频俘能特性进行了实验研究。对比理论与实验结果表明,本文构建的机电耦合模型能够对分段线性压电能量收集器的设计与参数优化提供理论参考,分段线性压电系统具有比对应线性压电系统更宽的工作频率范围与更高的能量收集效率。