通过电磁激励方式研究了压电悬臂梁结构在超低幅值激励下的响应特性。对线性压电梁的响应进行了实验研究,分析了激励幅值的影响。研究了引入单侧阻挡后压电梁的非线性响应特性, 分析了激励幅值、阻挡间隙对单侧阻挡压电梁宽带响应的影响。实验结果表明, 在0.003 N的电磁激励下, 压电梁的振幅小于140 μm。引入单侧阻挡后压电梁表现出分段线性响应, 对阻挡间隙微米尺度的变化灵敏。随着间隙从100 μm减小到20 μm, 最大输出电压从3.14 V减小到1.17 V, 半功率带宽从5.8 Hz增大到18.2 Hz。

采用铌铁矿前驱体两步法制备了Pb(Zn1/3Nb2/3)0.2(Hf1-xTix)0.8O3(PZNH1-xTx)钙钛矿压电陶瓷, 研究了铪钛比对陶瓷相结构、电学性能和能量收集特性的影响。结果表明, 当x=0.52时, 陶瓷样品位于准同型相界, 具有最优综合压电性能: 居里温度TC=287 ℃, 品质因数FOM≈14 753×10-15 m2/N, 压电电荷常数d33=492 pC/N。由该组成材料构建的悬臂梁型压电能量收集器输出功率密度高达4.16 μW/mm3, 所转化的电能可成功点亮138盏并联的LED灯。结果表明, PZNHT陶瓷在压电能量收集领域具有良好的应用潜力。

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给，该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真，并与标准压电能量收集接口电路(SHE)和同步电荷提取电路(SECE)进行对比分析。实验结果表明，在相同激励条件下，ESECE比SECE的输出功率提高了近30%，最大输出功率达到190 μW，同时还保证了输出功率与负载电阻的无关性。

为了解决部分微电子设备供电需求大，而单一的压电能量收集结构无法满足的问题，该文对基于涡致振动的压电能量收集阵列进行流-固-电耦合仿真，并与风洞实验数据进行对比。首先对前置阻流体的俘能结构进行测试，验证结构的可行性，然后对串列、并列、错列、长方阵型的压电俘能结构进行研究。仿真与实验结果表明，压电能量收集阵列随风速的增大呈现整体增大的趋势，随间距的增大呈现先增大后减小的变化趋势，前置阻流体的俘能结构直径D=0.02 m，在风速为6 m/s，中心距L=5D的条件下，输出电压峰值为4.35 V，长方阵型的发电性能最优；在风速为6.5 m/s，L=1.5D时，电压峰值为9.98 V。结果表明，压电能量收集阵列具有一定的优势，为涡致振动压电能量收集的研究提供了参考。

针对可穿戴设备电源的供电及续航问题, 采用了筒壳结构的压电能量收集器。探究了可穿戴筒壳结构压电能量收集器俘能的本质, 并提出结构优化设计方案。首先指出筒壳结构的承载能力和初始能量与厚度成正比, 且随着跨度的增大而减小; 其次通过有限元仿真研究了基底和聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜尺寸与应力、应变的关系, 指出PVDF的尺寸应尽可能与应力、应变较大的区域相符合, 没必要完全覆盖基底, 并给出优化模型; 最后通过实验验证了厚度、跨度和曲率半径优化尺寸的合理性, 综合考虑了人体穿戴的舒适度。优化设计方案中, 筒壳结构的厚为125~150 μm, 跨度为19~22.2 mm, 曲率半径为10~15 mm, 输出电压可达13~18 V。

为了提高压电能量采集系统的采集效率, 该文提出了一种用于压电能量采集的自供电能量管理电路。采用基于并联同步开关感应(P-SSHI)技术的有源全桥整流电路来提高压电采能器的功率, 降低整流电路上的导通损耗; 采用低功耗稳压降压集成芯片配合超级电容器, 实现能量的高效采集存储。仿真结果表明, 在模拟输出电压幅值为20 V时, 该整流电路的输出功率为1.084 6 W, 比传统整流电路的平均输出功率提高了16.8%, 在最高输出电压为5 V时, 30 s内储存能量可以达到4.137 1 J。