电池使用寿命短、丢弃时对环境污染严重,目前,利用能量回收技术采集机械振动能量,成为替代电池的重要途径之一。采用压电陶瓷材料与矩形悬臂梁结合是压电能量采集器的常用结构。压电陶瓷材料的谐振频率通常高于生活中的振动源频率,采用矩形悬臂梁作为压电陶瓷的衬底可以降低压电陶瓷材料的谐振频率。尽管矩形梁在增强压电材料的功能性方面（即产生电荷以驱动小型电子设备）发挥了重要作用,但由于基板会产生不良应变,同时能量采集器无法适应较宽的频率范围等原因,这种结构的能量采集器的功率输出通常低于多数小型电子设备所需的能量阈值。为了提高系统的能量转换效率和采集能力,创新传统的矩形悬臂梁结构被认为是提高能量采集效率的途径之一。本文从能量回收效率角度,对文献中提出的各种几何构型进行了回顾与评价。将现有的悬臂梁结构分为典型结构和非典型结构,并对它们的优缺点和适用性进行了全面对比。现有研究中未解决的问题为本论文的创新点和预期成果提供了依据。在研究典型结构的基础上,研究了一种沿厚度方向逐渐变细的悬臂梁,即楔形悬臂梁。变厚度梁是一种非棱柱形梁,在许多文献中被用作矩形梁结构的替代物,它能够产生均匀应变,从而增强压电效应。目前,利用压电材料覆盖整个梁表面的理论已有研究,然而,在处理单个压电片时,由于悬臂梁几何尺寸不均匀,贴片位置对于有效利用梁上应变能至关重要,而这一研究在现有文献中还没有涉及。因此,本文提出贴片最佳位置的理论框架,以便于能量采集和应用。为了提高贴片在楔形悬臂梁上的性能,建立了解析模型来估计挠度,从而计算最大应变位置。随后,在数值模型软件COMSOL Multiphysics中建立了有限元模型,以验证解析模型得到的结果。解析和数值计算结果表明,不同尺寸的楔形悬臂梁,在5N静载荷作用下,最优挠度和应变位置预测平均相对误差分别为1.5%和3.7%。此外,对带有贴片的楔形悬臂梁进行了数值模拟和实验分析,设置了配置1、配置2和配置3三种不同的结构形式。对电压和输出功率进行了比较,结果表明,配置3由于贴片覆盖了最佳应变位置,产生了最高的电压和输出功率。功率输出的相对百分比增加约93.3%。这说明确定楔形悬臂梁的最佳挠度和应变位置对悬臂梁能量采集有重要意义。针对传统梁结构应力小、固有频率高、机电性能差的缺点,在研究非典型结构的基础上,提出了一种新型梁结构,称其为工字梁（GSB）。在常规矩形梁和工字梁等质量的情况下,两种结构的静态分析结果表明,与传统梁上的应力8.68 x10~8 N/m~2相比,工字梁产生的应力更高,为1.08 x10~9 N/m~2。此外,分析表明,工字梁的前三阶谐振频率（即70.69 Hz、428 Hz和704 Hz）低于传统悬臂梁（即76.88 Hz、445.32 Hz和847.13 H）,这更满足能量采集所需的低频率特性要求。对两种结构进行数值分析和实验研究,结果表明,工字梁比传统梁输出功率提高了20%左右。最后,研究了五种不同结构的贴片方向和位置对输出性能的影响,提出并讨论了最佳结构。本文开发并研究了一个带有标准整流电路的非线性压电式能量采集器,与现有文献中提出的传统达芬型磁力采集机构不同,系统中的非线性效应是由嵌入式磁铁引起的。基于牛顿法推导了系统的动力学方程,并对其进行了数值模拟,利用SIMetrix/SIMPLIS软件建立了其等效电路模型,并与常规能量收集系统进行了性能评估和比较。结果表明,力耦合引起的非线性效应对能量采集器的峰值输出功率和工作带宽有显著影响,与线性系统相比,总输出功率和工作带宽分别增加了61.4%和100%。