目前,物联网(IOT)技术已经在各行各业取得了广泛的应用,无线传感器网络技术在物联网技术的发展过程中起到了至关重要的作用,但其电池更换难的问题成为了掣肘无线传感网络、乃至物联网技术取得进一步有效发展的原因之一。国内外针对此问题相继提出多种能量收集方案,如太阳能、风能、机械能等,其中以机械能-电能转换为核心的压电能量收集技术因其结构简单且转换效率高的优点而脱颖而出,但目前以压电能量收集技术作为自供能部分的低功耗无线传感器因其覆盖频率较窄且输出能量低等问题而有待进一步研究解决。因此本文摒弃以输出频带窄而著称的传统单自由度压电振子的角度,选择从多自由度压电振子的角度出发,基于Timoshenko梁理论提出多自由度L型压电振子,并在此基础上,结合实际工程机械姿态角检测的应用需求,依次研究了多自由度压电复合振子的低宽频特性及应用性能,主要研究内容如下:(1)多自由度压电收集机理分析。介绍并阐述压电能量收集的关键理论基础,分析并建立多自由度L型压电振子的动力学模型及压电耦合模型,得出其影响压电能量转换效果的关键影响参数。(2)多自由度压电复合振子低宽频特性研究。分析验证有限元方法中材料、载荷及边界条件参数设置的合理性。研究载荷、材料及尺寸参数对多自由度压电振子能量收集效果的影响规律并确定最优参数。提出并分析6种不同布局简化结构并得到最优布局结构。提出并研究紧凑型及非紧凑型压电复合振子的低宽频特性,并与同尺寸传统压电复合振子比较,确定多自由度压电复合振子的在低宽频特性方面的优势。(3)完成压电能量收集节点及低功耗无线传感器节点软硬件设计及开发。分析现阶段自供能无线传感器的应用需求,完成压电能量收集节点、低功耗无线传感器节点软硬件设计。(4)试验验证了紧凑型压电复合振子的理论性能及应用性能。搭建振动式能量收集试验台及工程机械应用性测量试验平台。分别完成关键参数影响规律验证试验、紧凑型压电复合振子低宽频特性试验及应用性试验。结果表明,关键参数影响规律与多自由度压电复合振子试验结果较仿真分析结果大体一致,在幅值及带宽上因为实际安装时不可避免的摩擦损耗及理论仿真分析时环境较为理想等原因,存在一定差别。应用性结果在压电复合振子第一个频率范围内扫频激励信号收发的等待时间为53 s,第二个频率范围内的等待时间为76 s,第三个频率范围内的等待时间为96s。