在过去的几十年时间中,微电子技术、无线传感器网络和微纳机电系统得到了快速的发展。如何有效地为各种环境下的众多传感器或传感器节点供电,成为了一个热点问题。传统电源中电池使用寿命短、笨重、不环保、需要定期充电或更换。假如仍然使用现有的方式定期为无线传感器更换新的电池,显然需要耗费很大的人力和物力。另一种供电方式-电力线,安装成本昂贵,维护繁琐。采集周围环境中的能量,然后将其转化为电能被认为是代替电池或电力线的有效方法。故能量采集技术已经成为一个热门的研究方向。在众多能量采集器中,压电式振动能量采集器(PVEHs)由于其结构简单,功率密度大,易与微系统集成且无需外部电源输入而被广泛研究。提高PVEH的效率,拓宽采集器的频率带宽是两个热点研究方向。此外,多方向振动能量采集器也是一个研究热点,因为实际环境中的振动可能来自不同的方向,而传统的水平悬臂梁式PVEHs通常只能有效地收集单一方向的振动能量。当激励来自悬臂梁弯曲方向以外的方向,则水平悬臂梁式PVEHs的输出功率将会显著地下降。而实际上,很多振动能源的频率和方向是可以同时改变的。但是,振动方向对于PVEH的具体影响却没有得到研究。为了解决上文提到的传统水平悬臂梁式压电振动能量采集器只能有效地收集单一方向的振动能量问题,本文提出了一种圆柱悬臂梁式压电阵列轴向分布的二维振动能量采集器来收集二维(2D)振动能量。通过使用压电阵列轴向分布在柔性圆柱体上来制作振动能量采集器,使其可以在二维(2D)平面上以任意方向采集振动能量。同时,我们引入了一个新的概念,称为角度带宽,它可以描述获取二维振动能量的能力。本文具体的研究内容及结果如下:1.对于压电阵列轴向对称分布(4个PVDF薄膜均匀对称分布)的振动能量采集器,详细研究了聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜的数量,排列方式,以及串并联方式对角度带宽和输出性能的影响。圆柱形压电阵列轴向对称分布的振动能量采集器中单个PVDF薄膜的角度带宽为89.2°,比水平悬臂梁结构采集器的角度带宽(65.2°)大24°,收集多方向振动能量的性能增大了30%。将轴对称位置(相隔180°)的两个PVDF进行反向串并联可以明显的提高采集器的输出性能:激励条件为3 m/s2和66.5 Hz,反向串联时,输出电压达到了 11.6 V,比单个PVDF的输出电压增大了一倍;反向并联时,输出功率达到了 13.5 μW,比单个PVDF的输出功率增大了 1.6倍。2.压电阵列轴向非对称分布的振动能量采集器,也就是当4个PVDF薄膜相邻排布时,与具有89.2°角度带宽的单个PVDF薄膜相比,4个相邻PVDF薄膜串联的角度带宽可以增加至106.3°(增加了 17.1°),比传统的水平悬臂式压电振动能量采集器的角度带宽(65.2°)大41.1°。另外,PVDF数量的增加和连接方式的改变对频率带宽(FB)几乎没有影响,都在13-14 Hz范围内。激励加速度的大小不能改变角度带宽的大小,就像激励加速度幅值改变不能使频率带宽增加一样。3.本文中提到的PVEH在压电阵列轴向对称分布时,可以直接用作方向传感器而无需外部供电和额外的储能电路。根据振动时每个PVDF的输出信号,不仅可以直接判断出激励角θ=0°、45°、90°和135°四个特殊的振动方向,也可以根据输出信号之间的大小关系和相位关系判断出振动来自哪个振动方位。将能量采集与传感器相结合,实现了自供电式方向传感器的功能。