随着经济和社会的不断发展,人类对于能源的需求也一直在增加,因此探索可再生、可持续发展的绿色能源成为一大研究热点。通常电子设备依靠电池供能,而传统电池存在寿命短、需要经常更换、体积大等缺陷,在一定程度上限制了无线电技术和微电子技术的发展。能量采集技术是将环境中存在的能量转换为电能,从而更换电池以实现设备的自供电。能量采集系统有多种工作模式,研究较普遍的是通过压电效应将振动能转化为可用电能的模式,这也是本论文的主要研究内容:压电式振动能量采集系统。本论文将从宏观和微观两个尺度,分别选取非线性压电悬臂梁结构和氧化锌纳米线结构作为研究对象,通过理论分析、数值模拟、实验验证等方法探索压电式振动能量采集系统的特性,其研究结果对于优化能量采集器结构、提高能量转换效率有着重要的研究意义和应用价值。在宏观尺度下,论文首先研究了双稳压电悬臂梁能量采集系统,虽然系统输出性能相对于线性系统有一定提升,但其存在的缺陷是,当外界激励强度不够时,系统只能局限于某一势阱中进行小幅振荡,导致系统输出电压减小。针对双稳压电悬臂梁能量采集系统的这一缺陷,论文研究了三稳压电悬臂梁能量采集系统。由于系统势函数由双稳态变为三稳态,使得势垒降低并增大了外部两个势阱间距,因此系统在小强度激励下容易越过势垒而产生大幅值的输出振荡。研究结果表明,对于不同强度的激励,相对于双稳系统,三稳压电悬臂梁能量采集系统的最优磁铁间距基本保持不变,意味着三稳系统不需要实时调整结构参数,就能够适应不同强度的振动环境而进行能量采集。双稳或三稳压电悬臂梁能量采集系统中,非线性磁力的分析与精确计算不仅影响系统势函数的特性,而且影响系统结构参数的选取和系统的响应输出。论文提出了基于等效磁化电流理论的磁力分析方法与计算模型,并与传统的磁偶极子理论磁力计算方法进行了对比。研究结果证明,磁化电流法得到的磁力更接近于实验测量值,特别是随着磁铁间距的减小,磁偶极子法计算误差会增大,而磁化电流法计算误差基本不变。因此,磁化电流法可优先作为外加磁场压电悬臂梁能量采集系统的磁力计算方法。为了研究微观尺度下的压电能量采集系统特征,论文选取了氧化锌纳米线作为研究对象。现有研究微观压电能量采集系统的主要方法是通过实验测量得到氧化锌纳米线的输出特性,也有一些研究者根据连续理论计算压电势能的变化趋势来判断其输出特性。然而,从原子结构及其动力学特性层面来研究氧化锌纳米线的压电性能则比较少。分子动力学模拟作为本文的主要研究方法,被用来从原子角度理解微观纳米压电能量采集系统的工作原理。论文重点探讨了电子转移、金属半导体接触点的稳定性、输出电势能分布等问题。对于氧化锌形变后的压电势能分布计算,传统的节点定义方法是在三维空间内均匀划分网格,而当计算对象发生形变后,这些节点无法准确表达所求对象的空间位置。对此,论文提出一种新的节点定义方法,将每个氧化锌晶体结构的中心定义为一个节点,其位置由形变后的氧化锌原子坐标计算得到,这种定义方法更加准确地划分了整个氧化锌纳米线的空间位置,方便了压电势能分布的准确表达。论文研究了两种结构的纳米压电能量采集系统,一个是轴向压缩的氧化锌纳米线结构,另一个是横向弯曲的氧化锌纳米线结构。通过分子动力学模拟分别得到了两种结构发生形变的压电势能及受力变化规律,从微观尺度掌握了氧化锌纳米线结构不同状态下势能在空间中的具体分布及其压电特性。由此将理论分析与实验测量联系起来,为氧化锌纳米压电能量采集系统的设计优化提供了研究方法和技术指导。总之,论文从宏微观两个尺度,分别研究了具有代表性的压电振动能量采集系统,为能量采集技术的理论分析和研究方法提供了思路,所得结果也为能量采集系统的实际应用奠定了技术基础。