结构振动能广泛存在于路桥建筑、生产设备以及日常生活中，收集环境中的振动能有望实现为低功耗无线器件永久供电。在常见的微幅振动下的机电换能机制中，压电换能器具有能量转换效率高、输出电压高、易于集成等优点，所以压电能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting，PEH）被广泛研究。　　现有的PEH结构一般将其基频设计为某一环境激振频率，从而在此频率附近获得较高的能量收集效率，但此类PEH结构难于收集环境中广泛存在的多频和宽频的振动能。针对此问题，本文提出了两种新型PEH结构，分别为适于收集多频振动的“多模态压电能量收集器”（Multi-mode Piezoelectric Energy Harvester,MPEH）和适于收集宽频振动的“宽频带压电能量收集器”（Wide-band Piezoelectric Energy Harvester,WPEH）。此外，本文还研制了适合这些PEH结构的PEH电路，在实验中实现了对一款微处理器的实时供电。　　MPEH通过在传统压电悬臂梁上附加多个谐振器增加工作频率的数量。当这些工作频率与环境中多个激励频率匹配时，MPEH就能有效地收集振动能。为了分析谐振器的设计参数与系统工作频率和工作效率的关系，基于欧拉梁假设建立了MPEH的机电耦合分布参数模型，并利用 MPEH的有限元模型验证了该分布参数模型的有效性。MPEH的参数分析表明：通过调节谐振器参数可以调节MPEH的工作频率，还可以将MPEH的反共振峰移到多个共振峰外，从而提高工作频率间的能量收集效率。　　附加一个谐振器的压电悬臂梁（Piezoelectric cantilever with one oscillator，Osc-PC）是简单而特殊的MPEH，它可以有两个工作模态。采用柔度法（Receptance Method）推导出Osc-PC工作频率的设计方程使其工作频率能与两个给定的激励频率匹配。研究表明：选用较大的谐振器质量比能增加对压电悬臂梁的作用力从而提高局部电能输出；选择合适的位置比可增加压电材料大应变的分布区域从而获得较高的能量收集效率。实验结果表明：Osc-PC在较宽频域内都优于传统压电悬臂梁，在一阶模态其能量收集效率提高了近3倍。　　附加多个谐振器的MPEH只采用由谐振器主导的共振频率作为工作频率，即一个谐振器只用于产生一个工作频率，这样可以保证MPEH的效率并使其工作频率可被设计。基于Osc-PC的工作频率设计方程推导出MPEH的集中参数模型，用于在已知激励频率时求MPEH的结构参数使其工作频率与激励频率相匹配。针对应用场合对MPEH的体积和重量的约束，以MPEH多个匹配工作频率上输出电能的总和最大化为优化目标，提出了MPEH参数的优化方法和设计步骤。实验表明MPEH两个匹配工作频率上输出的平均功率相对传统压电悬臂梁提高了82％。　　WPEH由Osc-PC和一个非线性磁力激振器组成，利用磁力激振器进一步改善Osc-PC的宽频性能。为了对WPEH中磁对吸引和排斥等配置情况进行研究，建立了WPEH的分布参数模型并采用龙格-库塔法对非线性系统进行了数值求解。研究发现：磁力激振器中磁块吸引配置时表现“软弹簧”特性，将其共振频率设计在Osc-PC共振峰左侧，利用其共振激励可以拓宽Osc-PC的工作频带；磁力激振器中磁块排斥配置时表现“硬弹簧”特性，将其共振频率设计在Osc-PC的峰谷处，利用其大幅的振动激励可以提高峰谷处的性能。实验中WPEH两磁块吸引配置时的工作带宽是传统压电悬臂梁的工作带宽的2.8倍。此外，不同于传统非线性PEH结构只能在大幅激励下才能表现非线性获得宽频的效果，磁力激振器能在微幅随机激励下使WPEH保持宽频的特性。　　为研制与MPEH相适应的PEH电路，采用机电类比法建立了MPEH的等效电路模型用于分析多频能量收集中PEH结构和PEH电路的耦合关系。以整流稳压专用集成电路LTC3588为核心研制了PEH电路，与一种MPEH构成PEH系统并进行了集成测试。实验表明该PEH系统在较小振幅的激励下可以实时地为一款微处理器供电，使其能每隔几秒点亮一盏LED；而且该PEH系统在多频激励下比单频激励时具有更高的工作效率，对储能器件的充电时间缩短了50%。