环境振动状况监测对设备的安全运营至关重要。通过压电振动能量采集器可实现对环境振动信息的感知，再经过智能信息处理方法无线监测设施的安全运营状态。将无线传感与深度学习相结合，在充分研究压电振动能量采集器输出信号特征的基础上，提出了优化的卷积神经网络模型，用于识别环境异常振动模式，并设计实现了智能感知无线监测传感节点。系统工作时，节点可监测环境振动、温度信息并报警异常事件。测试结果表明，该传感节点在无线传输距离超过100 m的情况下，实现了环境振动事件的实时监测，报警时间小于5 s，环境振动模式识别准确率可达95.7%，监测环境温度状况并准确报警异常燃烧事件的时间小于3.7 s。该节点在野外目标监测等场合有广泛的应用前景。

为了有效采集多个方向的振动能量, 本文提出了一种圆柱形的压电阵列径向分布的二维(2D)振动能量采集器。通过将柔性弧形压电阵列径向分布在圆柱体上, 该采集器可以收集到二维(2D)平面内任意方向的振动能量。同时, 引入了角度带宽来描述采集器获取二维振动能量的能力。实验结果表明: 这种新型结构采集器的角度带宽接近180°; 而且, 通过把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件进行反向串联, 采集器的最大输出电压可以达到11.6 V; 当把对称位置的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电元件反向并联时, 最大输出功率达到13.5 μW。与传统的悬臂式压电振动能量采集器相比, 该二维(2D)采集器具有更好的多方向振动能量采集性能。

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制, 提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理, 对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明, 俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的; 其它条件确定时, 存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率; 增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率, 但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9 mm3双晶压电振子及Ф16×100 mm3气缸制作了样机, 测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明, 俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55 Hz左右; 背压0.4 MPa、质量10 kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25 V输出电压有效带宽为9 Hz/88 V/72 Hz, 分别为质量2.5 kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计, 以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟, 结果表明, 该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性, 进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验, 得到的实验结果与理论分析基本吻合, 说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验, 结果表明, 通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计, 其在20~34 Hz有较大的功率输出, 且最大输出功率达到了约2.3 mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围, 易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。

为了根据环境振动和电学负载的特点对悬臂梁式微型压电振动能采集器进行优化, 本文考虑质量块质心与悬臂梁末端的位置差异, 建立了在基础激励作用下采集器的运动微分方程和边界条件。通过引入常数, 建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的3个悬臂梁式微型压电振动能采集器均适用的耦合电路方程, 得到了采集器固有频率和振型的表达式, 推导了简谐基础激励和任意基础激励作用下的输出电压表达式。实验结果显示, 对于3个振动能采集器样机而言, 以上固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10%和20%, 表明该模型基本满足微型压电振动能采集器优化设计的要求。