振動傳感器的 5 個關鍵應用

大型建筑項目環(huán)境繁忙，重型機械、爆破作業(yè)頻繁，各種活動層出不窮。所有這些活動都會產(chǎn)生振動，而監(jiān)測這些振動至關重要。振動傳感器就像項目的聽診器，持續(xù)測量結(jié)構(gòu)、設備和地面的振動。通過“監(jiān)聽”現(xiàn)場的振動脈動，工程師和安全員可以及早發(fā)現(xiàn)問題，防止損壞，并確保一切順利進行。

今天，我們來簡要探討振動傳感器在大型建筑工地的五種關鍵應用，探討它們?nèi)绾卧鰪娊Y(jié)構(gòu)安全性、機器可靠性、法規(guī)遵從性、工人健康以及項目的長期成功。

1.結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測

保護附近的建筑物和基礎設施免受施工引起的振動影響是城市項目建設的首要任務。諸如巖石爆破、打樁或拆除等活動會通過地面發(fā)出沖擊波，威脅鄰近結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。振動傳感器部署在場地附近的現(xiàn)有建筑物、橋梁或敏感設施上，以實時跟蹤這些振動。

通常，堅固的檢波器傳感器或加速度計安裝在鄰近資產(chǎn)的地基或結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。它們測量諸如峰值粒子速度 (PPV)（振動強度的關鍵指標）等參數(shù)，以確保振動保持在標準（例如，德國的 DIN 4150-3 或英國的 BS 5228-2）規(guī)定的安全限值以下。

工作原理：如果挖掘或重型打樁開始產(chǎn)生接近閾值的振動水平，監(jiān)控系統(tǒng)就會觸發(fā)警報?，F(xiàn)場管理人員可以調(diào)整或暫?；顒?，以防止結(jié)構(gòu)損壞。例如，在歷史悠久的市中心下方修建隧道時，當上覆歷史建筑上的傳感器顯示振動接近允許限值時，工程師可能會降低隧道掘進機的速度。

典型的振動引起的結(jié)構(gòu)問題：

墻壁或磚石中的裂縫：高頻振動會導致石膏、混凝土和磚砌體等脆性材料開裂，從而危及結(jié)構(gòu)部件。

差異沉降：長時間的地面振動可能導致土壤壓實或移動，從而引起附近地基的不均勻沉降。

結(jié)構(gòu)元素的疲勞：反復的低水平振動會隨著時間的推移通過材料疲勞逐漸削弱梁、接頭或連接件。

通過持續(xù)監(jiān)測這些參數(shù)，施工團隊可以避免對第三方結(jié)構(gòu)造成代價高昂的損壞。在人口密集的城區(qū)——通常遍布著百年老建筑——這種結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測不僅是良好實踐，而且通常是項目許可的法定要求?？偠灾?，振動傳感器的應用為工程師提供了數(shù)據(jù)，使其能夠在大型建設項目中保護周邊基礎設施并維護公眾信任。

2.機械設備維護

在大型建筑工地上，無數(shù)重型機械同時運轉(zhuǎn)——塔式起重機、挖掘機、發(fā)電機、壓縮機等等。保持這些設備處于最佳狀態(tài)對于項目工期和安全至關重要。振動傳感器在建筑機械的預測性維護中發(fā)揮著關鍵作用。通過將加速度計連接到關鍵部件（發(fā)動機、變速箱、泵電機等），維護團隊可以持續(xù)監(jiān)測設備的健康狀況。異常的振動模式通常是機械故障的早期預警信號，可以在故障發(fā)生前進行干預。

例如，假設一臺大容量混凝土泵在繁忙的施工現(xiàn)場運行。如果泵電機上的振動傳感器檢測到振蕩幅度增大或頻率峰值異常，則可能表明存在轉(zhuǎn)子不平衡或軸承磨損等問題。收到這些警報的維護人員可以在計劃停機期間安排維修或零件更換，而不必在混凝土澆筑過程中面臨突發(fā)的機械故障。這種預測性維護方法可以最大限度地減少可能延誤項目的意外停機時間。

通過振動識別的常見設備故障：

不平衡或未對準的部件：過度振動可能意味著旋轉(zhuǎn)部件（如起重機絞車滾筒或泵葉輪）不平衡或未對準，這種情況會導致快速磨損。

軸承磨損和損壞：電機或變速箱中發(fā)生故障的軸承通常會產(chǎn)生獨特的振動特征（例如高頻振動）。傳感器可以及早捕捉到這種特征，以便及時更換軸承，防止發(fā)生重大故障。

部件松動或損壞：如果機器的螺栓、支架或結(jié)構(gòu)件松動或破裂，振動可能會加劇。監(jiān)控可以提醒工作人員在部件脫落或造成事故之前進行維修或緊固。

共振問題：如果機器以其固有頻率開始振動，可能會放大運動并造成自身損壞。傳感器有助于檢測并避免這些有害的共振振動情況。

如今，建筑公司越來越多地在其設備群中使用此類基于振動的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。這不僅提高了可靠性，也增強了安全性——一臺受到良好監(jiān)控的機器發(fā)生災難性故障的可能性要小得多。事實上，研究表明，大約90%的機器可以從振動監(jiān)測的維護中受益，這凸顯了該應用在施工現(xiàn)場的廣泛應用。通過保持關鍵設備的良好狀態(tài)，振動傳感器可以幫助承包商遵守工期，并避免與設備停機或更換相關的高昂成本。

3.地面振動控制及環(huán)境影響

施工振動不僅會影響建筑物和機器，還會影響周圍環(huán)境和社區(qū)。例如在歐洲，建筑工地通常毗鄰辦公室、住宅和敏感設施，因此，管理振動對環(huán)境的影響對于合規(guī)性和公共關系都至關重要。振動傳感器被廣泛用于監(jiān)測地面振動，確保其保持在可接受的水平，以保障人體舒適度并保護附近的基礎設施。

一項關鍵應用是控制拆除爆破、風鎬或振動壓實等作業(yè)產(chǎn)生的振動，以免干擾鄰居或損壞地下設施。放置在場地周邊或附近建筑物上的傳感器，可以持續(xù)提供通過土壤傳輸?shù)恼駝铀綌?shù)據(jù)。如果振動超過預設限值，系統(tǒng)會自動向現(xiàn)場管理人員發(fā)出警報。現(xiàn)代監(jiān)控裝置甚至會在超過閾值時發(fā)送即時短信或電子郵件警報，促使立即采取行動（例如，暫停爆破程序或修改施工技術）。這種實時控制回路可幫助承包商隨時調(diào)整施工方法——例如在爆破中使用較小的裝藥量，或?qū)⒅伢w力勞動安排在干擾最小的時段進行。

建筑振動的主要來源：

爆破和拆除：爆炸拆除或巖石爆破會產(chǎn)生短促、高強度的振動爆發(fā)，這些振動爆發(fā)可以通過地面和空氣傳播，如果不加以控制，可能會震碎窗戶或破壞外墻。

打樁和鉆孔：打樁機或振動板樁安裝的反復錘擊會產(chǎn)生連續(xù)的振動，振動會穿過土壤和巖石傳遞到相鄰的結(jié)構(gòu)。

振動壓實：重型壓路機和壓實機利用振動來壓實土壤（這是保持穩(wěn)定性的必要過程），但這會從場地向外發(fā)出強烈的震動。

重型車輛交通：滿載卡車或履帶式挖掘機的通過會引起低頻地面震動，尤其是在不平坦的路面或臨時運輸?shù)缆飞稀?/p>

通過監(jiān)測這些振動源，項目團隊的目標是將振動水平保持在有害或令人不適的閾值以下。例如，即使振動水平非常低，居住者也能感受到并受到干擾（每秒0.1毫米PPV左右的振動幾乎無法察覺，而每秒幾毫米的振動則可能震碎餐具或擾亂睡眠）。通常，為了保障人體舒適度而允許的振動限值遠比為了保障結(jié)構(gòu)損壞而允許的振動限值嚴格。因此，振動傳感器有助于平衡施工進度與社區(qū)舒適度——確保施工雖然“引起波瀾”，但不會引發(fā)大量的噪音/振動投訴。

在實踐中，此應用與法規(guī)合規(guī)性緊密相關。許多城市強制要求將振動監(jiān)測作為大型項目環(huán)境管理計劃的一部分，尤其是在住宅區(qū)或遺址附近。傳感器記錄的數(shù)據(jù)可提供文件，證明符合當?shù)卣駝酉拗?，并可納入提交給市政當局的報告中。它還可以作為證據(jù)，迅速解決任何有關施工活動造成損害的索賠——有了客觀的記錄，虛假索賠就可以被駁回，真正的問題可以得到迅速解決?？偠灾?，地面振動監(jiān)測可以保護環(huán)境，維護與公眾的良好關系，同時確保項目在法律允許的范圍內(nèi)進行。

4. 工人安全和舒適

雖然人們關注的焦點集中在建筑結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境，但振動傳感器對于保障建筑工人自身的健康也同樣重要。施工人員經(jīng)常使用強力的手持工具（例如風鎬、鉆機和壓實機），并操作重型車輛，這些工具會將振動傳遞到他們的身體。長時間暴露在高振動水平下會導致嚴重的職業(yè)病。例如在歐盟，嚴格的法規(guī)（《物理因素（振動）指令》）要求雇主評估和控制工人的振動暴露情況。振動傳感器正是實現(xiàn)這一目標的工具，它能夠精確測量工人的感受，并指導采取保護措施。

手臂振動綜合征 (HAVS) 是經(jīng)常使用振動工具的工人面臨的一個眾所周知的風險。這種疾病會導致神經(jīng)損傷和循環(huán)問題（例如“振動白指”），這是由于手臂長期暴露于振動所致。同樣，長期全身振動（例如推土機或自卸卡車駕駛員在崎嶇地形上行駛時所經(jīng)歷的振動）也會導致腰痛和脊柱問題。振動監(jiān)測設備有助于追蹤這些振動暴露情況。小型可穿戴傳感器或?qū)Ｓ谜駝觿┝坑嬁梢园惭b在工具上或由工人攜帶，以記錄整個班次的加速度水平和暴露持續(xù)時間。

與過度振動暴露相關的健康狀況：

手臂振動綜合癥 (HAVS)：手指和手部神經(jīng)及血管受損，導致麻木、刺痛和握力下降。這通常是由于多年使用高振動電動工具且缺乏足夠防護造成的。

振動性白指：HAVS 的一種表現(xiàn)，由于血液循環(huán)不良，手指會變白。在寒冷的環(huán)境下，手指會感到疼痛，甚至喪失行動能力。

肌肉骨骼疾?。?/strong>全身振動會加速椎間盤和關節(jié)的退化，導致建筑機械操作員出現(xiàn)慢性背痛和其他肌肉骨骼問題。

利用振動傳感器數(shù)據(jù)，安全員可以實施控制措施，最大限度地降低這些風險。例如，如果測量結(jié)果顯示，風鎬操作員在一定小時數(shù)后，其工作環(huán)境的振動水平將超過規(guī)定的每日暴露行動值（手臂振動為 2.5 米/秒2 A(8)），則現(xiàn)場可以要求操作員增加休息頻率或輪換工作，以確保工作環(huán)境保持在安全范圍內(nèi)?？梢赃x擇振動排放量較低的工具，并提供防振手套或減震手柄。傳感器通過比較變化前后的暴露水平來驗證這些干預措施是否有效。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)凸顯了這項應用的重要性：據(jù)估計，在歐洲，各行各業(yè)約有 14% 至 34% 的工人暴露于潛在的有害振動中，而建筑行業(yè)是暴露率最高的行業(yè)之一（約有 63% 的建筑工人受到影響）。得益于振動監(jiān)測和意識的提升，如今人們可以更早地發(fā)現(xiàn)高振動性振動 (HAVS) 等情況，或者通過強制執(zhí)行暴露限值來徹底預防?？偠灾駝觽鞲衅魍ㄟ^量化隱形危害來幫助打造更安全的工作場所，使建筑公司能夠根據(jù)職業(yè)安全法規(guī)保護其員工的健康。

5. 長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與洞察

振動傳感器不僅在施工期間提供即時保障，還能在項目完工后長期維護結(jié)構(gòu)的健康和性能。該應用涉及利用振動數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 (SHM)，并通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的洞察改進施工實踐。在歐洲大力推行可持續(xù)、韌性基礎設施的背景下，許多大型項目從施工階段就開始集成傳感器，以確保最終成果“面向未來”。

一方面是施工后分析。在建造結(jié)構(gòu)（例如橋梁或高層建筑）時收集的振動記錄可作為其在已知條件下行為的基準。工程師可以分析這些數(shù)據(jù)，以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼特性。這些振動特性隨時間的任何顯著變化都可能預示著結(jié)構(gòu)問題的出現(xiàn)（例如，固有頻率的降低可能表明由于裂紋或材料退化導致剛度損失）。

通過在關鍵部件上安裝永久性振動傳感器，業(yè)主可以在整個使用壽命期間持續(xù)監(jiān)測橋梁的“心跳”。例如，許多現(xiàn)代橋梁在跨度上安裝了加速度計，以檢測由交通或風引起的異常振動。如果出現(xiàn)異常情況——例如，橋梁的某個部分在相同卡車荷載下開始比以前振動得更劇烈——維護人員就會收到警報，以便及早檢查橋梁是否出現(xiàn)損壞或磨損。

另一個方面是利用振動數(shù)據(jù)來優(yōu)化施工技術和設計。大型工地上傳感器收集的所有信息都會被輸入到不斷增長的知識庫中。承包商和工程師會審查這些數(shù)據(jù)，以了解哪些方法可以將振動保持在最低水平，或者哪些工作順序會導致振動峰值。這些洞察可以影響未來的項目：例如，如果數(shù)據(jù)顯示某種類型的打樁錘始終保持在振動限值范圍內(nèi)而無需暫停工作，那么在其他類似的土壤條件下，該方法可能更受青睞，從而提高效率并保證安全。

另一方面，任何與振動相關的損壞或警報事件都應成為案例研究，以避免此類情況重演。隨著時間的推移，這將推動整個建筑行業(yè)制定更明智的規(guī)劃（選擇產(chǎn)生更少振動的設備和方法）和更完善的風險緩解策略。

技術進步正在增強這種長期監(jiān)測應用。電池壽命長的無線物聯(lián)網(wǎng)振動傳感器可以持續(xù)工作數(shù)月甚至數(shù)年，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_進行遠程分析。各地的工程師可以登錄網(wǎng)絡儀表板，實時檢查多個場地或建筑物的振動狀態(tài)，即使在施工結(jié)束后很長時間也能保持監(jiān)測。此外，人工智能和機器學習算法正應用于大型振動數(shù)據(jù)集，以檢測人類可能忽略的細微模式。

例如，可以訓練人工智能系統(tǒng)識別建筑物中正在發(fā)生的故障的早期振動特征，或?qū)⒛承┦┕せ顒优c輕微振動異常關聯(lián)起來，從而提示采取預防措施。這些智能分析工具將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的維護警報或設計改進措施，真正實現(xiàn)基礎設施的持續(xù)“脈搏監(jiān)測”。

總而言之，集成振動傳感器進行長期監(jiān)測，可確保施工階段測量的效益延伸至結(jié)構(gòu)的整個使用壽命。它能夠持續(xù)保障橋梁、建筑物和其他大型資產(chǎn)的安全可靠。此外，它還能形成一個反饋循環(huán)，從一個項目的數(shù)據(jù)中汲取的經(jīng)驗教訓可以提升下一個項目的安全性和效率。這種前瞻性的振動傳感器應用，實現(xiàn)了從施工到運營的閉環(huán)，鞏固了其作為現(xiàn)代工程實踐中不可或缺組成部分的地位。

資料來源：Neuroject