振動(dòng)傳感器的 5 個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用

大型建筑項(xiàng)目環(huán)境繁忙，重型機(jī)械、爆破作業(yè)頻繁，各種活動(dòng)層出不窮。所有這些活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而監(jiān)測(cè)這些振動(dòng)至關(guān)重要。振動(dòng)傳感器就像項(xiàng)目的聽(tīng)診器，持續(xù)測(cè)量結(jié)構(gòu)、設(shè)備和地面的振動(dòng)。通過(guò)“監(jiān)聽(tīng)”現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)脈動(dòng)，工程師和安全員可以及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，防止損壞，并確保一切順利進(jìn)行。

今天，我們來(lái)簡(jiǎn)要探討振動(dòng)傳感器在大型建筑工地的五種關(guān)鍵應(yīng)用，探討它們?nèi)绾卧鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)安全性、機(jī)器可靠性、法規(guī)遵從性、工人健康以及項(xiàng)目的長(zhǎng)期成功。

1.結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(cè)

保護(hù)附近的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施免受施工引起的振動(dòng)影響是城市項(xiàng)目建設(shè)的首要任務(wù)。諸如巖石爆破、打樁或拆除等活動(dòng)會(huì)通過(guò)地面發(fā)出沖擊波，威脅鄰近結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。振動(dòng)傳感器部署在場(chǎng)地附近的現(xiàn)有建筑物、橋梁或敏感設(shè)施上，以實(shí)時(shí)跟蹤這些振動(dòng)。

通常，堅(jiān)固的檢波器傳感器或加速度計(jì)安裝在鄰近資產(chǎn)的地基或結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。它們測(cè)量諸如峰值粒子速度 (PPV)（振動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)）等參數(shù)，以確保振動(dòng)保持在標(biāo)準(zhǔn)（例如，德國(guó)的 DIN 4150-3 或英國(guó)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(kāi)始產(chǎn)生接近閾值的振動(dòng)水平，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)警報(bào)?，F(xiàn)場(chǎng)管理人員可以調(diào)整或暫?；顒?dòng)，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(shí)，當(dāng)上覆歷史建筑上的傳感器顯示振動(dòng)接近允許限值時(shí)，工程師可能會(huì)降低隧道掘進(jìn)機(jī)的速度。

典型的振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)問(wèn)題：

墻壁或磚石中的裂縫：高頻振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致石膏、混凝土和磚砌體等脆性材料開(kāi)裂，從而危及結(jié)構(gòu)部件。

差異沉降：長(zhǎng)時(shí)間的地面振動(dòng)可能導(dǎo)致土壤壓實(shí)或移動(dòng)，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(fù)的低水平振動(dòng)會(huì)隨著時(shí)間的推移通過(guò)材料疲勞逐漸削弱梁、接頭或連接件。

通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)這些參數(shù)，施工團(tuán)隊(duì)可以避免對(duì)第三方結(jié)構(gòu)造成代價(jià)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(cè)不僅是良好實(shí)踐，而且通常是項(xiàng)目許可的法定要求。總而言之，振動(dòng)傳感器的應(yīng)用為工程師提供了數(shù)據(jù)，使其能夠在大型建設(shè)項(xiàng)目中保護(hù)周邊基礎(chǔ)設(shè)施并維護(hù)公眾信任。

2.機(jī)械設(shè)備維護(hù)

在大型建筑工地上，無(wú)數(shù)重型機(jī)械同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)——塔式起重機(jī)、挖掘機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)等等。保持這些設(shè)備處于最佳狀態(tài)對(duì)于項(xiàng)目工期和安全至關(guān)重要。振動(dòng)傳感器在建筑機(jī)械的預(yù)測(cè)性維護(hù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)將加速度計(jì)連接到關(guān)鍵部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、泵電機(jī)等），維護(hù)團(tuán)隊(duì)可以持續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的健康狀況。異常的振動(dòng)模式通常是機(jī)械故障的早期預(yù)警信號(hào)，可以在故障發(fā)生前進(jìn)行干預(yù)。

例如，假設(shè)一臺(tái)大容量混凝土泵在繁忙的施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。如果泵電機(jī)上的振動(dòng)傳感器檢測(cè)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(wèn)題。收到這些警報(bào)的維護(hù)人員可以在計(jì)劃停機(jī)期間安排維修或零件更換，而不必在混凝土澆筑過(guò)程中面臨突發(fā)的機(jī)械故障。這種預(yù)測(cè)性維護(hù)方法可以最大限度地減少可能延誤項(xiàng)目的意外停機(jī)時(shí)間。

通過(guò)振動(dòng)識(shí)別的常見(jiàn)設(shè)備故障：

不平衡或未對(duì)準(zhǔn)的部件：過(guò)度振動(dòng)可能意味著旋轉(zhuǎn)部件（如起重機(jī)絞車滾筒或泵葉輪）不平衡或未對(duì)準(zhǔn)，這種情況會(huì)導(dǎo)致快速磨損。

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

部件松動(dòng)或損壞：如果機(jī)器的螺栓、支架或結(jié)構(gòu)件松動(dòng)或破裂，振動(dòng)可能會(huì)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(jìn)行維修或緊固。

共振問(wèn)題：如果機(jī)器以其固有頻率開(kāi)始振動(dòng)，可能會(huì)放大運(yùn)動(dòng)并造成自身?yè)p壞。傳感器有助于檢測(cè)并避免這些有害的共振振動(dòng)情況。

如今，建筑公司越來(lái)越多地在其設(shè)備群中使用此類基于振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這不僅提高了可靠性，也增強(qiáng)了安全性——一臺(tái)受到良好監(jiān)控的機(jī)器發(fā)生災(zāi)難性故障的可能性要小得多。事實(shí)上，研究表明，大約90%的機(jī)器可以從振動(dòng)監(jiān)測(cè)的維護(hù)中受益，這凸顯了該應(yīng)用在施工現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。通過(guò)保持關(guān)鍵設(shè)備的良好狀態(tài)，振動(dòng)傳感器可以幫助承包商遵守工期，并避免與設(shè)備停機(jī)或更換相關(guān)的高昂成本。

3.地面振動(dòng)控制及環(huán)境影響

施工振動(dòng)不僅會(huì)影響建筑物和機(jī)器，還會(huì)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(shè)施，因此，管理振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響對(duì)于合規(guī)性和公共關(guān)系都至關(guān)重要。振動(dòng)傳感器被廣泛用于監(jiān)測(cè)地面振動(dòng)，確保其保持在可接受的水平，以保障人體舒適度并保護(hù)附近的基礎(chǔ)設(shè)施。

一項(xiàng)關(guān)鍵應(yīng)用是控制拆除爆破、風(fēng)鎬或振動(dòng)壓實(shí)等作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)，以免干擾鄰居或損壞地下設(shè)施。放置在場(chǎng)地周邊或附近建筑物上的傳感器，可以持續(xù)提供通過(guò)土壤傳輸?shù)恼駝?dòng)水平數(shù)據(jù)。如果振動(dòng)超過(guò)預(yù)設(shè)限值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向現(xiàn)場(chǎng)管理人員發(fā)出警報(bào)。現(xiàn)代監(jiān)控裝置甚至?xí)诔^(guò)閾值時(shí)發(fā)送即時(shí)短信或電子郵件警報(bào)，促使立即采取行動(dòng)（例如，暫停爆破程序或修改施工技術(shù)）。這種實(shí)時(shí)控制回路可幫助承包商隨時(shí)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(dòng)安排在干擾最小的時(shí)段進(jìn)行。

建筑振動(dòng)的主要來(lái)源：

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

打樁和鉆孔：打樁機(jī)或振動(dòng)板樁安裝的反復(fù)錘擊會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)穿過(guò)土壤和巖石傳遞到相鄰的結(jié)構(gòu)。

振動(dòng)壓實(shí)：重型壓路機(jī)和壓實(shí)機(jī)利用振動(dòng)來(lái)壓實(shí)土壤（這是保持穩(wěn)定性的必要過(guò)程），但這會(huì)從場(chǎng)地向外發(fā)出強(qiáng)烈的震動(dòng)。

重型車輛交通：滿載卡車或履帶式挖掘機(jī)的通過(guò)會(huì)引起低頻地面震動(dòng)，尤其是在不平坦的路面或臨時(shí)運(yùn)輸?shù)缆飞稀?/p>

通過(guò)監(jiān)測(cè)這些振動(dòng)源，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是將振動(dòng)水平保持在有害或令人不適的閾值以下。例如，即使振動(dòng)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(dòng)幾乎無(wú)法察覺(jué)，而每秒幾毫米的振動(dòng)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(dòng)限值遠(yuǎn)比為了保障結(jié)構(gòu)損壞而允許的振動(dòng)限值嚴(yán)格。因此，振動(dòng)傳感器有助于平衡施工進(jìn)度與社區(qū)舒適度——確保施工雖然“引起波瀾”，但不會(huì)引發(fā)大量的噪音/振動(dòng)投訴。

在實(shí)踐中，此應(yīng)用與法規(guī)合規(guī)性緊密相關(guān)。許多城市強(qiáng)制要求將振動(dòng)監(jiān)測(cè)作為大型項(xiàng)目環(huán)境管理計(jì)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(dāng)?shù)卣駝?dòng)限值，并可納入提交給市政當(dāng)局的報(bào)告中。它還可以作為證據(jù)，迅速解決任何有關(guān)施工活動(dòng)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(wèn)題可以得到迅速解決?？偠灾?，地面振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以保護(hù)環(huán)境，維護(hù)與公眾的良好關(guān)系，同時(shí)確保項(xiàng)目在法律允許的范圍內(nèi)進(jìn)行。

4. 工人安全和舒適

雖然人們關(guān)注的焦點(diǎn)集中在建筑結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境，但振動(dòng)傳感器對(duì)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(qiáng)力的手持工具（例如風(fēng)鎬、鉆機(jī)和壓實(shí)機(jī)），并操作重型車輛，這些工具會(huì)將振動(dòng)傳遞到他們的身體。長(zhǎng)時(shí)間暴露在高振動(dòng)水平下會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的職業(yè)病。例如在歐盟，嚴(yán)格的法規(guī)（《物理因素（振動(dòng)）指令》）要求雇主評(píng)估和控制工人的振動(dòng)暴露情況。振動(dòng)傳感器正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的工具，它能夠精確測(cè)量工人的感受，并指導(dǎo)采取保護(hù)措施。

手臂振動(dòng)綜合征 (HAVS) 是經(jīng)常使用振動(dòng)工具的工人面臨的一個(gè)眾所周知的風(fēng)險(xiǎn)。這種疾病會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)損傷和循環(huán)問(wèn)題（例如“振動(dòng)白指”），這是由于手臂長(zhǎng)期暴露于振動(dòng)所致。同樣，長(zhǎng)期全身振動(dòng)（例如推土機(jī)或自卸卡車駕駛員在崎嶇地形上行駛時(shí)所經(jīng)歷的振動(dòng)）也會(huì)導(dǎo)致腰痛和脊柱問(wèn)題。振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備有助于追蹤這些振動(dòng)暴露情況。小型可穿戴傳感器或?qū)Ｓ谜駝?dòng)劑量計(jì)可以安裝在工具上或由工人攜帶，以記錄整個(gè)班次的加速度水平和暴露持續(xù)時(shí)間。

與過(guò)度振動(dòng)暴露相關(guān)的健康狀況：

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

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

肌肉骨骼疾?。?/strong>全身振動(dòng)會(huì)加速椎間盤和關(guān)節(jié)的退化，導(dǎo)致建筑機(jī)械操作員出現(xiàn)慢性背痛和其他肌肉骨骼問(wèn)題。

利用振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)，安全員可以實(shí)施控制措施，最大限度地降低這些風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果測(cè)量結(jié)果顯示，風(fēng)鎬操作員在一定小時(shí)數(shù)后，其工作環(huán)境的振動(dòng)水平將超過(guò)規(guī)定的每日暴露行動(dòng)值（手臂振動(dòng)為 2.5 米/秒2 A(8)），則現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(guò)比較變化前后的暴露水平來(lái)驗(yàn)證這些干預(yù)措施是否有效。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)凸顯了這項(xiàng)應(yīng)用的重要性：據(jù)估計(jì)，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(dòng)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(dòng)監(jiān)測(cè)和意識(shí)的提升，如今人們可以更早地發(fā)現(xiàn)高振動(dòng)性振動(dòng) (HAVS) 等情況，或者通過(guò)強(qiáng)制執(zhí)行暴露限值來(lái)徹底預(yù)防?？偠灾?，振動(dòng)傳感器通過(guò)量化隱形危害來(lái)幫助打造更安全的工作場(chǎng)所，使建筑公司能夠根據(jù)職業(yè)安全法規(guī)保護(hù)其員工的健康。

5. 長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與洞察

振動(dòng)傳感器不僅在施工期間提供即時(shí)保障，還能在項(xiàng)目完工后長(zhǎng)期維護(hù)結(jié)構(gòu)的健康和性能。該應(yīng)用涉及利用振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) (SHM)，并通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的洞察改進(jìn)施工實(shí)踐。在歐洲大力推行可持續(xù)、韌性基礎(chǔ)設(shè)施的背景下，許多大型項(xiàng)目從施工階段就開(kāi)始集成傳感器，以確保最終成果“面向未來(lái)”。

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(shí)收集的振動(dòng)記錄可作為其在已知條件下行為的基準(zhǔn)。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(dòng)特性隨時(shí)間的任何顯著變化都可能預(yù)示著結(jié)構(gòu)問(wèn)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(dǎo)致剛度損失）。

通過(guò)在關(guān)鍵部件上安裝永久性振動(dòng)傳感器，業(yè)主可以在整個(gè)使用壽命期間持續(xù)監(jiān)測(cè)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(jì)，以檢測(cè)由交通或風(fēng)引起的異常振動(dòng)。如果出現(xiàn)異常情況——例如，橋梁的某個(gè)部分在相同卡車荷載下開(kāi)始比以前振動(dòng)得更劇烈——維護(hù)人員就會(huì)收到警報(bào)，以便及早檢查橋梁是否出現(xiàn)損壞或磨損。

另一個(gè)方面是利用振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化施工技術(shù)和設(shè)計(jì)。大型工地上傳感器收集的所有信息都會(huì)被輸入到不斷增長(zhǎng)的知識(shí)庫(kù)中。承包商和工程師會(huì)審查這些數(shù)據(jù)，以了解哪些方法可以將振動(dòng)保持在最低水平，或者哪些工作順序會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)峰值。這些洞察可以影響未來(lái)的項(xiàng)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(dòng)限值范圍內(nèi)而無(wú)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(dòng)相關(guān)的損壞或警報(bào)事件都應(yīng)成為案例研究，以避免此類情況重演。隨著時(shí)間的推移，這將推動(dòng)整個(gè)建筑行業(yè)制定更明智的規(guī)劃（選擇產(chǎn)生更少振動(dòng)的設(shè)備和方法）和更完善的風(fēng)險(xiǎn)緩解策略。

技術(shù)進(jìn)步正在增強(qiáng)這種長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)用。電池壽命長(zhǎng)的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)振動(dòng)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_(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程分析。各地的工程師可以登錄網(wǎng)絡(luò)儀表板，實(shí)時(shí)檢查多個(gè)場(chǎng)地或建筑物的振動(dòng)狀態(tài)，即使在施工結(jié)束后很長(zhǎng)時(shí)間也能保持監(jiān)測(cè)。此外，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法正應(yīng)用于大型振動(dòng)數(shù)據(jù)集，以檢測(cè)人類可能忽略的細(xì)微模式。

例如，可以訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)識(shí)別建筑物中正在發(fā)生的故障的早期振動(dòng)特征，或?qū)⒛承┦┕せ顒?dòng)與輕微振動(dòng)異常關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而提示采取預(yù)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(hù)警報(bào)或設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，真正實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)“脈搏監(jiān)測(cè)”。

總而言之，集成振動(dòng)傳感器進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可確保施工階段測(cè)量的效益延伸至結(jié)構(gòu)的整個(gè)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(gè)反饋循環(huán)，從一個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)中汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可以提升下一個(gè)項(xiàng)目的安全性和效率。這種前瞻性的振動(dòng)傳感器應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從施工到運(yùn)營(yíng)的閉環(huán)，鞏固了其作為現(xiàn)代工程實(shí)踐中不可或缺組成部分的地位。

資料來(lái)源：Neuroject