为满足管道流体监测系统的自供电需求,针对流速/向恒定、空间有限的管道流环境下压电振子的有效激励问题,提出一种压电简支梁纵振式管道气流俘能器,从理论及试验两方面对其发电特性进行了研究,具体研究内容如下:1.压电振子是俘能器的关键功能部件,直接影响到俘能器的发电性能。根据压电学及材料力学理论,建立了简支梁压电振子的COMSOL有限元模型,研究了基板长度、宽度及厚度比(基板厚度与总厚度之比)、附加质量和外部载荷(静载荷及激振力)等因素对其表面应力、固有频率及发电性能(输出电压及功率)的影响规律,结果表明:压电晶片上的最大应力随基板长度增加呈线性增加,随宽度和厚度比增加而减小;固有频率随基板长度和附加质量增加而减小,随宽度、厚度比和静载荷增大而增大;应保证压电振子工作在一阶振型下,激振力一定时采用较小的厚度比并进行负载及固有频率匹配,可实现最大功率输出。2.根据涡激振动理论,阐述了俘能器纵向振动发电的工作原理,建立了扰流板涡激力的COMSOL有限元模型,通过反作用力算子提取了升/曳力系数(CL和CD)并给出了影响涡激力幅频特性的关键因素,获得了升/曳力系数频率、均值和幅值的变化规律;基于莫里森方程,建立了压电管道气流俘能器的动力学模型,并进行计算获得了相关参数对其输出性能的影响规律,结果表明:流向力为正向偏置的简谐力,其振幅和频率都随流速增大而增大;存在最佳扰流板厚度(10mm)使流向力的幅值达到最大,优选较薄的扰流板为激励元件,保证旋涡的生成并减小横向振动;采用合适的宽度比(0.6至0.93之间)可获得较理想的涡激力流向激励效果;存在最佳流速使压电振子振幅达到峰值,且最佳流速随系统刚度增大而增大,随附加质量增大而减小。3.为验证理论与仿真的正确性,制作试验样机并进行试验分析,采用概率密度分析法提取了电压幅值,分析了直径比(扰流板直径与管径之比)、扰流板厚度、预压力及附加质量对俘能器输出电压的影响,并选取较优的俘能器结构参数进行了负载功率特性测试,获得了流速、直径比及负载电阻对俘能器输出性能的影响关系,证明了本文压电俘能器通过管道气流纵向激励实现发电的可行性,结果表明:各直径比都对应一个最佳流速,其随直径比增加而减小,直径比为0.93时峰值电压最大;通过改变预压力和附加质量可实现俘能器输出电压对流速的调节;直径比为0.93时输出功率达到最大为1.25mW,最佳负载电阻为240KΩ。