随着无线传感器和便携式电子设备在无线传感网络和微机电系统中的广泛应用,能源供给日益成为阻碍其发展的一大瓶颈。传统的电池及电力电线由于具有寿命周期短、布线复杂等缺点已经不能满足其供能需求。与此同时,大规模低功耗集成电路技术的发展使得电子产品的功耗不断降低,很多电子产品的功耗已经低至毫瓦甚至微瓦水平。因而,从环境中采集能量实现电子设备自供能的技术被提出并得以广泛研究。环境中可以采集的能量包括风能、热能、声能、太阳能、电磁能、振动能等。其中,风能在自然界中储量丰富、清洁可再生,是人类最早开发的能源之一,也是国内外自供能研究的一个重要方向。相比于转动式小型风能采集器,风致振动能量采集器加工简单、便于微型化,是风能采集器发展的主要方向。但是目前报道的风致振动能量采集器大多只能在某一小段风速范围内有效工作,风速范围以外,采集器或者不能工作或者性能下降很大;同时,大部分采集器只能有效采集某个特定方向的风能。然而自然界中风速及风向通常是不稳定的,或者是随着时间不断改变的,这样势必造成采集器工作效率的低下以及风能的浪费。为了解决风致振动能量采集器中采集风速范围窄以及采集风向单一的问题,本文采用弧形弹性梁,而非传统的矩形薄片式悬臂梁作为拾取风能产生振动的主体,结合压电换能器设计了多方向、宽风速范围的风致振动能量采集器。弧形弹性梁可以在不需要任何附加装置的情况下响应不同方向的风激励,并且在不同方向、不同速度的风激励下呈现出不同的振动形式,利用它们不同的响应风速范围,可以有效拓宽采集器的工作风速范围,最终实现多方向、宽风速范围的风能采集。分析了压电换能器的工作模式及材料选取;结合涡激振动、颤振原理及力学模型,分析了弹性梁的流致振动;应用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对采集器结构进行了运动仿真,研究了采集器的电输出特性。设计制作了风致振动能量采集器样机,并对其在正面(Mode I)、背面(Mode II)、侧面(Mode III)和顶端(Mode IV)四种工作模式下的采集性能进行了实验测试,在四个方向的风激励下,采集器均可有效采集2~17 m/s的风速范围的风能,并且分别在17 m/s、17 m/s、17 m/s以及11 m/s的风速下输出25.0 V、34.2 V、14.2 V以及26.0 V的最大峰峰值电压;另外,实验还测试了四种不同弹性梁弧度的风致振动能量采集器的电输出性能。阻抗匹配实验表明,风致振动能量采集器在Mode I、Mode II、Mode III和Mode IV工作模式下,分别在17 m/s、17 m/s、17 m/s和11 m/s的风速下输出最大功率0.84mW、1.73 mW、0.33 m W和0.27 mW。为了表明所设计的风致振动能量采集器的实用性,设计制作了一个应用模型,在10.5 m/s的风速下,可以同时点亮18盏商用LED灯泡。