近年来,传感器与无线通讯的融合促使无线传感器网络（WSN）快速发展。WSN中传感器的类型众多,执行的功能不一,它们可以检测温度、压力、湿度和光强度等。这些传感器数量巨多,供能仍然以电池为主。虽然它们功耗较低,但是电池容量有限,当电池能量耗尽时,传感器无法正常工作,很大程度上限制了WSN发挥作用。针对这一问题,一些研究人员提出从环境中收集机械能量来替代传统电源的可行方案。通常,机械能量转换机制主要包括压电式、电磁式、静电式和摩擦式。在这些能量转换机制中,压电能量收集器因输出性能稳定、功率密度大、易于与微系统集成等优点受到广泛的关注。目前,大多数压电式振动能量收集器（PVEH）是基于弹簧-质量系统,当PVEH的固有频率与环境振动频率匹配时,PVEH的输出性能最佳;当PVEH的固有频率与环境振动频率不匹配时,PVEH的输出性能急剧降低。此外,当环境中的振动方向偏离压电材料的极化方向时,PVEH的输出性能也会大幅降低。为了提高PVEH的频率带宽和多方向能量采集性能,本文设计了一种塔型三维多模态压电式振动能量收集器和一种基于固液混合体的频率可调压电式振动能量收集器,用于收集环境中频率和方向多变的机械振动。论文主要工作如下:1、提出了一种塔型三维多模态压电式振动能量收集器的设计方案（TS-PVEH）,其结构包括亚克力基板、压电薄膜、质量块及弯折悬臂梁。采用弯折梁替代矩形悬臂梁不仅提升了TS-PVEH多方向能量收集的性能,也使得TS-PVEH在低频范围内具有三个振动模态,从而提升了TS-PVEH在宽频带方面的性能。利用COMSOL软件对TS-PVEH进行稳态分析、模态分析和谐响应分析。仿真结果表明:TS-PVEH的前三阶模态对应的固有频率分别为10.406 Hz、10.7 Hz和25.78 Hz;前两阶模态对应的振型表现为X-Y平面的振动,第三阶模态对应的振型表现为X-Z平面内的振动,并且TS-PVEH的水平刚度要小于竖直刚度。优化结果表明,增加弯折梁的厚度和宽度会使TS-PVEH的固有频率增加,而输出电压减小;相反,增加质量块的高度会使TS-PVEH的固有频率减小,而输出电压增加。2、利用振动测试系统对TS-PVEH进行全面的性能测试。首先,测试并分析了TS-PVEH的幅频响应。结果表明,TS-PVEH的固有频率为9.6 Hz和24.6 Hz,且TS-PVEH的固有频率与加速度无关,只与TS-PVEH的结构参数有关。其次,测试了振动方向对TS-PVEH输出性能的影响;结果表明,在X-Y平面内,TS-PVEH的角度带宽值约为180°;而在X-Z平面内,TS-PVEH的角度带宽值约为40°。此外,实验还测量了TS-PVEH在不同负载电阻下的输出电压与功率。在2 m/s~2加速度、9.6 Hz的振动激励下,单个PVDF的负载电压可达35 V,最大功率为49.6μW。而在3 m/s~2加速度、24.6 Hz的振动激励下,单个PVDF的负载电压可达29.3 V、最大功率为51.5μW。进一步的探究了PVDF之间的连接方式及加速度对充电效果的影响。实验结果表明加速度越大,电容器两端的电压上升越快;PVDF以并联的方式连接,充电效果最佳。3、提出了一种基于固液混合体的频率可调压电式振动能量收集器（FT-PVEH）的设计方案,主要包括圆柱形悬臂梁、压电薄膜、亚克力容器及其填充物。采用圆柱形悬臂梁代替传统的矩形悬臂梁,并把PVDF压电传感单元粘贴在圆柱形悬臂梁表面四周,可以提高FT-PVEH收集多方向振动的性能,增加了FT-PVEH的整体输出。详细研究了填充物的状态与重量对FT-PVEH频率带宽的影响。填充物为液态且体积比为0.5时,加速度越大,FT-PVEH的频率带宽越大,最大带宽约为4.9 Hz。相比于填充物为固体时,FT-PVEH的频率带宽提升了91%。填充物为固液混合态且体积比为0.25时,加速度越大,FT-PVEH的频率带宽越大,最大带宽约为6.5 Hz。相比于填充物为固体时,FT-PVEH的频率带宽提升了182%。