物联网系统的运行需要依赖大量分布式的独立电源来供电,这给物联网技术的发展带来了极大的挑战。振动能,作为一种最常见的分布式能源,以多种形式广泛存在于自然界当中。振动能量收集技术能够将环境中的振动能量转换成电能输出和存储,为物联网系统提供丰富的分布式能量来源。振动能量收集器通常是基于谐振原理设计的,这要求结构的谐振频率必须与环境中振动激励的频率相匹配。为了适应自然环境中振动激励的低频性和随机性特点,本文对现有的宽频振动能量收集方法进行了分析总结和理论研究,并将其分为两类,分别设计出了相应的新型振动能量收集器来实现宽频振动能量收集。在此基础上,本文还提出了一种新的宽频振动能量收集方法——多频协同多稳振动法,这种方法吸收了现有两种方法的优点,并弥补了两种方法的先天缺陷,论文的主要工作和研究内容包括以下四个部分:(1)根据工作原理的不同,本文将宽频振动能量收集方法分为了两大类:线性多频共振法和非线性多稳态法。本文对上述两种方法进行了物理建模、宽频原理分析以及变参数研究。分析了这两种方法各自存在的先天缺陷,并指出了现有的基于上述两种方法所设计的宽频振动能量收集器所存在的问题。对于线性多频共振法,现有的能量收集器普遍存在的问题是不同频率的能量收集单元之间相互独立,结构利用率低,以及只能在特定方向上收集振动能等问题;对于非线性多稳态法,其核心问题是势能垒的引入对低强度振动能量收集有阻碍作用。(2)针对线性多频共振法,本文设计了一种双叉梁多模态振动能量收集器来实现多方向宽频振动能量收集。利用有限元仿真分析,研究了双叉悬臂梁在低频范围内的四阶振动模态和对应的四阶固有频率,确定了不同振动模态对应的振动方向以及结构的变形特征。实验中,在水平、竖直两个方向的振动激励下,通过测量扫频激励下双叉悬臂梁的动态应变,验证了仿真分析结果的正确性。通过与一根传统的直悬臂梁进行对比实验,验证了本文所提出的双叉悬臂梁结构在开路输出电压、工作带宽、输出功率密度以及发电效率等多个方面的性能提升,并且证明了该结构具有多方向振动能量收集的功能。(3)针对非线性多稳态法,本文设计了一种跷跷板式悬臂梁振动能量收集器来实现低强度激励条件下的双稳态运动。通过对这种跷跷板式悬臂梁结构在非线性运动中的能量传递过程进行分析计算,从理论上研究和论证了该结构在双稳态运动过程中越过势垒的机理。在实验中,将该结构与传统的双稳态悬臂梁结构在相同的低强度振动激励下进行对比,分别测量了二者的振动位移、开路输出电压以及输出功率密度等,对该结构的宽工作频带和易越过势垒的特性进行了验证。(4)在前两种方法的基础上,本文提出了一种新的宽频振动能量收集方法——多频协同多稳振动法。利用这种方法将多个不同频率的悬臂梁组成阵列,不同悬臂梁之间依靠自由端的永磁体实现相互排斥,实现了一种不同于现有多稳态运动的新的多稳态物理现象——协同多稳态运动。论文利用磁偶极子模型对协同多稳态悬臂梁之间的磁相互作用进行了分析,并推导了协同多稳态系统的势能函数。通过对势能函数和稳态的分析,证明了协同多稳态的存在,论证了协同多稳态运动的实现条件以及协同多稳态系统的最大稳态个数随悬臂梁数量的增加呈指数增长的新特性。通过与线性悬臂梁阵列在开路输出电压、输出功率密度以及发电量等多个方面进行对比实验,进一步验证了理论分析的正确性和多频协同多稳振动法所带来的宽频特性。