结构健康监控是提高重大工程结构安全性和降低维护成本的关键技术,基于微机电系统的无线传感器网络,因适用于嵌入到结构内部完成在线监测功能,已成为重大工程结构健康监控技术的重要发展方向,而如何为低功耗无线传感器提供长久可靠电能是一个亟待解决的瓶颈问题。薄板结构是一种常见的结构形式,它在运行过程中往往产生明显的振动,利用压电效应可以将振动转化为电能实现无线传感器的自供电。由于结构振动往往是不定向的且能量很多是以弹性波的形式存在,并具有宽带、低频等特点,必须将弹性波波动特性与压电俘能结构有机结合起来才能提高宽带低频环境振动能量俘获效率。论文在国家自然科学基金面上项目(批准号:51577189)的资助下,通过将压电材料和质量块组成的共振单元布置到薄板结构上构建一种压电超材料俘能结构,利用局域共振原理调控薄板上的振动传递行为,从而可以提高振动俘能效率,关键问题是如何对系统进行优化。为此,针对局域共振压电超材料薄板,论文基于基尔霍夫薄板假设、哈密尔顿原理、压电效应等建立了系统的理论模型,并根据基尔霍夫电流(电压)定律推导了同步电荷提取电路的等效阻抗模型,开展了结构和电路参数优化设计,并进行了仿真计算和实验验证。论文的主要工作包括:1、建立了局域共振型压电超材料薄板多物理场耦合的理论模型,分析了弹性波在薄板中的传递行为,建立起全系统耦合理论模型,并利用有限元仿真软件COMSOL绘制压电超材料晶格的色散曲线,设计满足带隙条件的晶格结构形式,使得带隙范围尽可能落在目标频率范围,实现能量的高效俘获。2、利用基尔霍夫电流(电压)定律推导了同步电荷提取电路(SECE)的等效阻抗模型,并通过外接电感和改进开关电路,有效提高了电路俘能电压的幅值,并进行了理论分析和仿真验证,结果表明:当SECE电路外接电感时,能够有效提高输出电压的幅值,提高俘能效率理论,与仿真结果基本一致吻合。3、利用有限元软件COMSOL在有限结构中验证带隙的存在,能够发现在带隙范围内,振动频响传递函数随周期数增加有明显衰减;并且当压电片外接谐振电感后,能有效提高输出电压的幅值,且当外接电感的电感值偏离谐振电感值时,压电片两端输出的开路电压会显著降低。4、设计并搭建了实验平台,通过测试有限周期结构下压电超材料薄板的振动响应函数,验证了带隙的存在,与仿真结果相一致;搭建压电俘能电路测试平台,分别测试了SECE电路优化前后的俘获电压幅值,结果表明优化后的SECE电路能有效提高俘能效率。