摘要
转子不平衡是旋转机械主要故障类型之一，会造成转轴变形、轴承损伤甚至灾难
性系统故障，对其运行状态进行有效监测具有重要研究价值。目前研究多采用非接触
式位移测量或壳体安装的加速度测量，测量系统频响范围较窄或信号特征较弱，导致
采集信号质量相对较差。轴上加速度测量因其在信号质量和环境适应性方面的优势获
得了广泛关注。然而，轴上测量系统自身重量对机械运行的干扰、电池供电限制长时
间监测以及无线传输带宽制约振动信号高速采集与传输成为该技术亟待解决的难题。
论文提出了一种面向转子不平衡监测的轴端无线振动传感器技术，分析了转子不
平衡机理，设计了小型化、轻量化以及无线供电的振动传感器，构建了资源有限的振
动传感器内部高速采集与特征提取的感算集成优化方法。主要研究内容包括：
首先，针对轴端加速度信号输出与转子不平衡的关系，建立了转子不平衡故障的
数学模型，分析了转子不平衡的轴端加速度测量原理。通过对转子不平衡产生的偏心
距、离心力、动挠度等参数以及轴端加速度信号组成成分进行分析，探索了不同转频
和偏心距下的轴端加速度信号变化规律，为轴端不平衡振动有效监测奠定了理论基础。
其次，针对振动传感器自身重量对机械运行干扰及电池容量有限的问题，设计了
一种基于无线供电的小型化、轻量化的轴端无线振动传感器。通过无线供电代替电池
供电，有效减小振动传感器尺寸与重量，将其灵活安装于轴端随转轴旋转，在降低测
量系统对机械运行状态干扰的同时，实现了对转子的长时间振动状态监测。
然后，针对无线带宽制约高速采集与传输可靠性和实时性的问题，提出了振动传
感器端感算集成优化方法。通过合理分配振动传感器的有限计算资源，在传感器内部
对高速采集的原始信号进行特征提取，使用特征值代替原始数据传输，避免大量数据
采集与传输造成的数据丢失以及拥塞时延，实现了对转子准确、有效的振动状态监测。
最后，实现了重量为5.16g，尺寸为53mm×53mm，无线供电最远距离为60mm
的无线振动传感器，可进行采样率为2000Hz，片内处理点数为512点，处理时间为
0.472s的机械转子振动在线测量。搭建了转子不平衡振动监测实验平台，验证了所设
计的轴端无线振动传感器系统和所提出的感算集成优化方法用于转子不平衡振动监
测的可行性和有效性。实验结果表明，采集振动信号的均方根、均值、方差和快速傅
里叶变换2X幅值能够反映转子不平衡状态，可用作转子不平衡振动监测的特征值。
所设计的轴端振动传感器和所提出的感算集成优化方法可实现对机械转子不平衡振
动状态的长期、准确、有效的监测。
I
关键词：转子不平衡；轴端振动监测；无线供电；感算集成
II
ABSTRACT
Rotorimbalanceisoneofthemainmechanicalfaults,whichcanresultinshaft
deformation,bearingdamageorevencatastrophicsystemfailure,andeffectivemonitoring
ofitsoperatingconditionhasimportantresearchvalue.Currentresearchesmostlyusenon-
contactdisplacementmeasurementorshell-mountedaccelerationmeasurement,andthe
measurementsystemsmaybeeasilyaffectedbythesurroundingenvironmentorintroduce
interferencesignals,whichmayjeopardizethequalityofthecollectedsignal.On-shaft
accelerationmeasurementtechniqueshavegainedwidespreadattention