可以移位的塔机基础安全监控技术及系统研发*

2014-09-20汤坤林沈成栋

建筑施工 2014年12期

汤坤林邓阁何铁沈成栋丁雄

1. 上海市建工设计研究院有限公司上海 200050；2. 上海航鼎电子科技发展有限公司上海 200437

1 塔机基础安全问题

塔机基础稳定是影响塔机整体稳定性的重要因素，尽管从设计源头采取了管理措施，但是，对已发生的塔机事故案例统计分析却发现，塔机事故中50%是因为地基松动导致的。因此在塔机使用过程中，为了保证使用的安全，需要及时注意基础的不均匀沉降，定期作检测。

常规的检测方法是通过经纬仪测量塔机塔身的垂直度来间接判断塔机基础的不均匀沉降。但这种方法存在下列一些缺点：

（a）通过使用外部经纬仪，人工测量，不能做到实时检测；

（b）使用传统测量方法响应慢，精度低，成本高，难以满足基础沉降的实时监测。

2 塔机基础实时监测方法[1,2]

鉴于现有市场上缺乏对塔机基础进行实时检测与管理的设备，对塔机基础定期采用手动方式进行，上海市建工设计研究院有限公司与上海航鼎电子科技发展有限公司联合提出了一套塔机基础自动检测系统。系统的构成见图1。

塔机基础稳定度监测系统主要由现场监测设备（包括水平水平度传感器、LDVS磁位移传感器和监测终端主机）和监测中心软件构成，适用于所有塔式起重机基础稳定度监测，实现塔机基础24 h连续不断的监测，管理人员在办公室，通过互联网就能全面掌握塔机基础状态，从而大大降低塔机事故发生率。

图1 塔机基础稳定度安全监测系统

塔机基础监测主要使用2 种传感器：一种是基于MEMS技术的电子水平尺，测量塔机基础每个角位置的倾斜度，另一种是差动变压器式位移传感器（LVDT），测量每个测量点到相对固定位置的位移变化。

现场监控设备能实时记录各测量数据，供监测或者事故分析使用；处理好的测量数据，能通过无线公共通信网络上传至远程监测中心。当塔机基础的倾斜量或沉降量超过设定阈限，现场监测终端主机发出现场声光报警，提示工程人员采取相应的防范措施，同时提醒远程监测中心管理人员处理。远程监控中心管理人员可以通过塔机基础沉降数据与倾斜数据的分析，得到其沉降趋势，提示工程人员采取相应的防范措施。总之，以互联网的技术手段，完成塔机基础的实时监控，从而预防由塔机基础不稳定引起的塔机安全事故发生。

3 主要监测指标与功能[3-6]

根据《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》JGJ/T 187—2009的要求，基础浇筑完成后塔机安装前应在基础四角设置沉降观测点，并在塔机安装前进行原始观测，塔机安装后观测一次，塔机加节后至少观测1 次，在使用过程中根据实际情况进行进程观测，并做好记录。基础的最大最小沉降差引起的基础倾斜不应大于1/1 000，总沉降控制在50 mm以内。当塔基位于基坑边或需对位移进行控制等情况时，还应对基础位移进行观测。

根据规范的要求，我们设计的塔机基础实时监控系统应该实现以下功能：

（a）能实现塔机基础沉降与倾斜度的实时监控，支持至少8 个测试点的倾斜度测量和4 个角的沉降；

（b）具有基础位移监测的接口，能实现塔机基础水平位移的监控；

（c）监测设备带有卫星定位功能，能够准确记录时间和上传监控中心各测量点位置，便于监控中心直观地观测塔机基础状态；

（d）监测记录数据安全性好，测量数据不仅保留在监控装置主机中，同时将监测数据保留在系统服务器中；

（e）水平度传感器测量信号和LVDT测量信号送入测量装置，结合嵌入式软件，实时检测各测量值，并通过无线公共数据网络传送至检测中心；

（f）内置备用电池，在装置外部供电损坏时，能及时向监控中心报警，请管理人员处理；

（g）现场声光报警和远程系统报警相结合。

4 外部传感器选型

根据国家规范，塔机基础安全稳定性监测测试精度要求高，考虑产品的性价比，对沉降测量，我们考虑0.1 mm精度，对倾斜度，我们采用1/2 000精度。

考虑施工现场的使用环境，还需要注意传感器防尘、防水和防碰撞要求；我们监测设备选用了基于MEMS的水平度传感器和LVDT差分位移传感器。

4.1 MEMS水平度传感器

MEMS即微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems），MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

采用上海航鼎公司设计的AZ101 MEMS水平度传感器来测量塔机的基础倾斜，主要技术指标为测量范围±15°（其他量程可选），供电电压5 V（测试电压24 V），测量精度0.02°，分辨率0.001°，满量程最大误差（常温）＜0.05°，非线性度≤±0.5%，长期稳定性（1年）＜0.05°，防护等级IP65。

4.2 LVDT差分位移传感器指标

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是线性可变差动变压器的英文缩写，属于直线位移传感器。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由1 个初级线圈、2个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间位置时，2 个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将2 个线圈反串相接、2 个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是2 个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系。LVDT 具有下列优势和特点：无摩擦测量、无限的机械寿命、无限的分辨率、零位可重复、环境适应性强，是少数几个可以在多种恶劣环境中工作的传感器之一。

坚固的结构提供高可靠性，而其性能十分适合行程小于±100 mm的多数应用，测量精度能达到1/1 000，其特性非常适合在塔机基础沉降测量使用。

选用深圳信为公司SBD20型外径20 mm，不锈钢304外壳，回弹式位移传感器，主要技术指标如下：位移量程为0～50 mm，有多种规格量程可选；输出信号为0～5 V DC（ 9～28 V DC 供电电压）；线性误差有±0.25%、±0.5%可选；重复误差＜0.01%；使用温度为－25 °C～+85 °C。