微机电技术和便携式电子设备正迅速发展,低功耗传感器件随之受到人们的广泛关注。目前大部分电子设备的主要能量来源依然是化学电池。然而,由于环境污染、体积较大、寿命有限等问题,传统化学电池的使用范围有限。振动式压电俘能器能够将环境中广泛存在的振动能量收集起来,同时转化为电能,因此振动式压电俘能器成为解决电子设备供电的有效手段。日常生活中周围环境的振动有低频、宽频等特点,而压电俘能器的工作频带与结构固有频率的范围和大小密切相关:固有频率在低频范围内阶次越多,共振范围越大,工作频带就越宽,俘能效率也就越高。本文以压电悬臂板为基础,设计研究了两种宽频压电俘能器,并对其进行了振动特性及俘能特性的研究。基于传统的压电悬臂板,通过在悬臂板自由端附加箱子和小球,本文设计了一种自调谐压电俘能器。小球在箱子内的两个极限位置分别确定了结构最大和最小固有频率,两者的差值定义为理论频宽。在理论频宽范围内,两球整体质心的位置随外激励频率的变化而自动调节,从而实现自调谐功能。由于一个固有频率对应两球位置的多个组合,本文设计的压电俘能器有较强的自调谐能力和较宽的工作频带。同样是基于压电悬臂板,通过在悬臂板自由端附加质量块并反向铺设多个分支,本文设计了一种多模态压电俘能器。利用附加分支结构增加了系统在低频范围内的固有频率和模态阶数,从而产生更多的共振频带,并且不同分支数量的多模态结构有不同的俘能特性。对结构的研究主要分为以下几部分:(1)利用ABAQUS软件对提出的宽频自调谐压电悬臂板进行有限元分析,并与传统的悬臂板和附加质量块的悬臂板结构进行比较,遵循控制变量法,分别考察了箱体质量和尺寸、基板厚度等因素对结构整体固有频率和理论带宽的影响,从而获得了最优结构。在此基础上探究了附加滚动球的位置和质心对压电悬臂板结构固有频率的影响规律,在结构的频宽范围内,两小球有无穷多组位置对应于任一固有频率,本文提出的结构与一般自调谐结构相比具有更强的自适应能力。(2)根据仿真分析的结果制作压电俘能器物理样机,并设计加工出实验专用夹具。利用锤击实验,分析计算了两球在不同位置时的结构固有频率,验证了有限元分析模型和结果的正确性。为了考察系统的自调谐性能,通过自调谐实验观察两球在不同外激励频率下的位置变化情况,证明结构具有较强的自调谐能力。最后,为了考察俘能器的输出电压和功率密度等俘能特性并与传统的附加质量块悬臂结构进行比较,利用扫频实验获得了不同加速度下俘能器的输出电压和不同外激励频率下的最佳电负载,验证了本文设计的自调谐结构具有较好的俘能特性。(3)通过COMSOL软件对宽频多模态压电俘能器进行设计和机电耦合仿真。利用模态分析计算了结构固有频率,确定了分支结构的材料参数。分别针对2分支、3分支和4分支结构,利用频域分析研究了分支长度和分支长度差对结构俘能特性的影响,并通过模态分析对影响机理进行了解释,从而分别确定了各结构的最优尺寸。在此基础上,研究了结构在不同外激励加速度下的输出电压响应,接着研究了不同外激励频率下结构的最佳电负载,并将三种结构的俘能效率进行对比。通过有限元计算和实验研究,证明了所设计的宽频自调谐压电俘能器和多模态压电俘能器都达到了宽工作频带和高俘能效率的目的。