近二十年来,随着微加工技术和电子技术的快速发展,无线传感系统的功耗不断下降,使得利用环境中的振动能量为微机电无线传感设备供能成为可能,进而推动了压电能量收集装置的研究。其中分段线性能量收集器因其结构简单、响应频带宽等优点成为最具前景的研究方向。因此,完善分段线性压电系统的理论研究对提高装置环境适应能力、促进其实用化进程具有重要的意义。本文回顾了振动俘能装置及压电发电系统的研究现状,发现对分段线性能量收集器的研究主要集中于装置结构的改进优化,且分析方法多数着重于实验研究,对分段线性压电系统理论求解方法的研究仍显不足。针对分段线性能量收集器理论求解过程困难,本文引入增量谐波平衡法对其进行分析,并在此基础上完成了分段线性系统的理论和实验研究工作。本文首先设计了一种单自由度的分段线性压电能量收集器,并建立了能量收集器的三维模型。基于欧拉梁理论,完成了机械结构等效集中参数建模。考虑到外部负载对系统输出性能的影响,建立了压电等效电路模型,最终得到了单自由度压电能量收集器的动力学微分方程。其次,引入了增量谐波平衡法求解系统微分方程,经增量过程及Galerkin过程处理得到迭代公式,并通过数值计算求得了系统的输出开路电压幅频曲线。通过与相应的线性系统进行对比分析,结果表明分段线性系统电压曲线表现出明显的共振峰值偏移现象,且系统峰值电压为21.53V,对应的频率为51Hz。同时对系统的输出功率随外部负载阻抗变化趋势进行了分析,得到了系统最大输出功率为954μW,此时外接电路中的负载阻抗值为121.43kΩ。再次,基于稳定性理论对分段线性系统输出电压解的稳定性进行了分析,得到了系统的稳定输出电压幅频曲线,并确定了系统具有宽频高幅值电压输出时的外部激励条件。根据系统输出功率变化特点,得到了在不同激振频率下系统的输出功率随负载阻抗的变化关系,通过与其对应的线性系统进行对比,分析了系统宽频俘能特性,结果表明分段线性能够在将近5Hz的频率区间上仍能保持高输出功率,而线性系统对应的频率区间只有不到1Hz。此外,基于增量谐波平衡法得到的数值迭代公式,分别研究了外部激振加速度、主悬臂梁顶端振动质量、撞击梁刚度和间隙距离对分段线性系统电压输出性能的影响。最后,完成了实验装置的加工及实验测试平台的搭建工作,并分别对分段线性系统的输出电压特性和关键参数变化对系统输出电压性能影响进行了实验。同时,通过改变外部激振频率和负载阻抗,完成了分段线性系统的宽频俘能特性的实验研究。将得到的实验结果与理论值进行对比研究,结果表明,本文所建立的等效集中参数模型和采用的增量谐波平衡法适用于求解单自由度分段线性压电能量收集系统,并可以为系统的参数优化研究提供理论依据。