2.3　水準測量的儀器和工具

水準測量使用的儀器是水準儀，另外配合使用的工具還有水準尺和尺墊。

2.3.1　水準儀的基本構造

水準儀是進行水準測量的主要儀器，它可以提供水準測量所必需的水平視線。目前通用的水準儀從構造上可分為：利用水準管來獲得水平視線的“微傾式水準儀”；利用補償器來獲得水平視線的“自動安平水準儀”。此外，還有一種新型水準儀——電子水準儀，它配合條紋編碼尺，利用數字化圖像處理的方法，可自動顯示高程和距離，使水準測量實現了自動化。

我國的水準儀系列標準分為DS₀₅、DS₁、DS₃和DS₁₀四個等級。“D”“S”分別是“大地”“水準儀”漢語拼音的首字母。下標數字表示儀器每千米水準測量的精度，以mm計。其中DS₀₅和DS₁用于精密水準測量，DS₃用于普通水準測量，DS₁₀則用于簡易水準測量。本節主要介紹DS₃微傾式水準儀的基本構造（圖2-3）。

DS₃微傾式水準儀由下列3個主要部分組成：①望遠鏡，用以提供視線，并可讀出遠處水準尺上的讀數；②水準器，用于指示儀器或視線是否處于水平位置；③基座，用于置平儀器，它支承儀器的上部并能使儀器的上部在水平方向轉動。

水準儀各部分的名稱見圖2-3。基座上有3個腳螺旋，調節腳螺旋可使圓水準器的氣泡移至中央，使儀器粗略整平。望遠鏡和管水準器與儀器的豎軸聯結成一體，豎軸插入基座的軸套內，可使望遠鏡和管水準器在基座上繞豎軸旋轉。制動螺旋和微動螺旋用來控制望遠鏡在水平方向的轉動。制動螺旋松開時，望遠鏡能自由旋轉；旋緊時望遠鏡則固定不動。旋轉微動螺旋可使望遠鏡在水平方向作緩慢的轉動，但只有在制動螺旋旋緊時，微動螺旋才能起作用。旋轉微傾螺旋可使望遠鏡連同管水準器作俯仰微量的傾斜，從而可使視線精確整平。

2.3.1.1　望遠鏡

望遠鏡具有成像和擴大視角的功能，其作用是看清不同遠近距離的目標和提供照準目標的視線。望遠鏡由物鏡、調焦透鏡、十字絲分劃板、目鏡等組成。物鏡、調焦透鏡、目鏡為復合透鏡組，分別安裝在鏡筒的前、中、后三個部位，三者與光軸組成一個等效光學系統。轉動調焦螺旋，調焦透鏡沿光軸前后移動，改變等效焦距，看清遠近不同的目標。物鏡的作用是使物體在物鏡的另一側構成一個倒立的實像，目鏡的作用是使這一實像在同一側形成一個放大的虛像（圖2-4）。為了使物像清晰并消除單透鏡的一些缺陷，物鏡和目鏡都是用兩種不同材料的透鏡組合而成（圖2-5）。

測量儀器的望遠鏡還必須有一個十字絲分劃板，它是刻在平板玻璃片上的一組十字絲，被安裝在望遠鏡筒內靠近目鏡的一端。中間一條橫絲稱為中橫絲或中絲，上、下對稱平行中絲的短線稱為上絲和下絲，統稱為視距絲，用來測量距離。豎向的線稱為豎絲或縱絲。水準儀上十字絲如圖2-6所示，水準測量中用它中間的橫絲或楔形絲讀取水準尺上的讀數。十字絲交點和物鏡光心的連線稱為視準軸，用C-C表示，為望遠鏡照準線。是水準儀的主要軸線之一。

為了能準確地照準目標或讀數，望遠鏡內必須同時能看到清晰的物像和十字絲。為此必須使物像落在十字絲分劃板平面上。為了使離儀器不同距離的目標能成像于十字絲分劃板平面上，望遠鏡內還必須安裝一個調焦透鏡（圖2-5）。觀測不同距離處的目標，可旋轉調焦螺旋改變調焦透鏡的位置，從而能在望遠鏡內清晰地看到十字絲和所要觀測的目標。現代水準儀在調焦透鏡后裝有一個正像棱鏡（如阿貝棱鏡等），通過棱鏡反射，看到的目標影像為正像。這種望遠鏡稱為正像望遠鏡。

2.3.1.2　水準器

水準器是用來衡量視準軸C-C是否水平、儀器旋轉軸（豎軸）是否鉛垂的裝置，是置平儀器的重要部件，分為管水準器和圓水準器兩種。

（1）管水準器，又稱水準管，是一個封閉的玻璃管，管的內壁在縱向磨成圓弧形，其半徑可自0.2m至100m。管內盛酒精或乙醚或兩者混合的液體，并留有一氣泡（圖2-7）。管面上刻有間隔為2mm的分劃線，分劃的中點稱水準管的零點。過零點與管內壁在縱向相切的直線稱水準管軸。當氣泡的中心點與零點重合時，稱氣泡居中，氣泡居中時水準管軸位于水平位置。

水準管上一格（2mm）所對應的圓心角稱為水準管的分劃值。根據幾何關系可以看出，分劃值也是氣泡移動一格水準管軸所變動的角值（圖2-8）。水準儀上水準管的分劃值為10″～20″，水準管的分劃值越小，視線置平的精度越高，但水準管的置平精度還與水準管的研磨質量、液體的性質和氣泡的長度有關。在這些因素的綜合影響下，使氣泡移動0.1格時水準管軸所變動的角值稱水準管的靈敏度。能夠被氣泡的移動反映出水準管軸變動的角值越小，水準管的靈敏度就越高。

為了提高氣泡居中的精度，在水準管的上面安裝一套棱鏡組（圖2-9），使兩端各有半個氣泡的像被反射到一起，當氣泡居中時，兩端氣泡的像就能符合。故這種水準器稱為符合水準器，是微傾式水準儀上普遍采用的水準器。

（2）圓水準器是一個封閉的圓形玻璃容器，頂蓋的內表面為一球面，半徑可自0.12m至0.86m，容器內盛乙醚類液體，留有一小圓氣泡（圖2-10）。容器頂蓋中央刻有一小圈，小圈的中心是圓水準器的零點。通過零點的球面法線是圓水準器的軸，當圓水準器的氣泡居中時，圓水準器的軸位于鉛垂位置。圓水準器的分劃值，是頂蓋球面上2mm弧長所對應的圓心角值，水準儀上圓水準器的角值為8'～10'。

2.3.1.3　基座

基座呈三角形，主要由軸座、腳螺旋和底板組成。基座由軸座、腳螺旋和連接板組成。儀器上部結構通過豎軸插入軸座中，由軸座支承，用三個腳螺旋與連接板連接。整個儀器用中心連接螺旋固定在三腳架上，作用是支撐儀器的上部。腳螺旋用于調節圓水準器氣泡居中。底板通過連接螺旋與下部三腳架連接。

2.3.2　水準尺和尺墊

水準尺用優質木材或鋁合金制成，又稱標尺，分為直尺和塔尺兩種（圖2-11），長度有3m和5m兩種。直尺一般用不易變形的干燥優質木材制成，塔尺一般用玻璃鋼、鋁合金或優質木材制成。

塔尺攜帶方便，但接合處容易產生誤差，直尺比較堅固可靠。水準尺尺面繪有1cm或5mm黑白相間的分格，米和分米處注有數字。為了便于倒像望遠鏡讀數，注的數字常倒寫。雙面水準尺一面為黑白相間，稱為黑面，另一面為紅白相間，稱為紅面，每兩根為一對。兩根雙面尺的黑面尺底都以零開始，而紅面的尺底從常數K開始，稱為零點常數，分別為4.687m和4.787m配合使用。這樣有利于檢核讀數，供紅黑面高差檢核之用。

尺墊是用于轉點上的一種工具，用鋼板或鑄鐵制成（圖2-12），呈三角形，下方有三個尖腳，上方中央有一突出半球體。使用時把三個尖腳踩入土中，把水準尺立在突出的圓頂上。尺墊放置于轉點，可使轉點穩固、防止水準尺下沉。

2.3.3　微傾式水準儀的使用

使用水準儀應能做到準確、迅速地在水準尺上讀取讀數。通過具體操作，理論聯系實際，使之加深對儀器三大組成部分（望遠鏡、水準器、基座）功能性認識，達到正確熟練使用儀器的目的。在適當位置安置水準儀，整平視線后讀取水準尺上的讀數。微傾式水準儀的操作應按下列步驟和方法進行。

（1）安置水準儀

旋松腳架腿三個伸縮固定螺旋，抽出活動腿至適當高度（大致與肩平齊），擰緊固定螺旋；張開架腿使腳尖呈等邊三角形，擺動一架腿（圓周運動）使架頭大致水平，踏實腳架。然后將儀器用中心連接螺旋固定在腳架上，并使基座連接板三邊與架頭三邊對齊。在斜坡上安置儀器時，首先打開三腳架，根據觀測者的身高調節架腿長度，使架頭大致水平并牢固穩妥，在山坡上應使三腳架的兩腳在坡下，一腳在坡上。然后打開儀器盒，取出水準儀用連接螺旋連接到三腳架上，取水準儀時必須握住儀器的堅固部位，并確認牢固地聯結在三腳架上后方可松手。

（2）儀器的粗略整平

儀器的粗略整平是用腳螺旋使圓水準器的氣泡居中。先用任意兩個腳螺旋使氣泡移到通過圓水準器零點并垂直于這兩個腳螺旋連線的方向上，如圖2-13中氣泡自a移到b，如此可使儀器在這兩個腳螺旋連線的方向處于水平位置。然后單獨用第三個腳螺旋使氣泡居中，如此使原兩個腳螺旋連線的垂線方向亦處于水平位置，從而使整個儀器置平。如仍有偏差可按上述步驟反復進行操作，直至儀器轉至任一方向氣泡均居中為止。操作時必須記住以下三條技術要領：①先旋轉兩個腳螺旋，然后旋轉第三個腳螺旋；②旋轉兩個腳螺旋時必須相對或相反地轉動；③氣泡移動的方向始終和左手大拇指移動的方向一致，因此稱為左手定則。

（3）照準目標

利用望遠鏡上的缺門和準星從外部瞄準目標，水平制動望遠鏡，然后進行目鏡和物鏡調焦，使十字絲和尺像清晰，并落在十字絲平面上，最后用微動螺旋使十字絲豎絲照準水準尺。為了便于讀數，也可使尺像稍偏離豎絲一些。當照準不同距離處的水準尺時，需重新調節調焦螺旋才能使尺像清晰，但十字絲可不必再調。

照準目標后讀數時，發現當眼睛上下移動，尺像與十字絲有相對移動的現象，即讀數有改變，這種現象稱為視差，其原因是水準尺的影像與十字絲影像不共面，兩者的影像不能同時看清［圖2-14（a）、（b）］。存在視差時不可能得出準確的讀數，因此必須要消除視差。消除視差的方法是反復、仔細地進行目鏡、物鏡對光，直到不再出現尺像和十字絲有相對移動為止，即尺像與十字絲分劃板在同一平面上［圖2-14（c）］。視差對瞄準、讀數均有影響，務必加以消除。

（4）精確整平

為了得到精確的水平視線，因此在每次讀數前還必須用微傾螺旋使水準管氣泡符合，使視線精確整平。由于微傾螺旋旋轉時，會改變望遠鏡和豎軸的關系，當望遠鏡由一個方向轉變到另一個方向時，水準管氣泡一般不再符合。所以望遠鏡每次變動方向后，也就是在每次讀數前，都需要用微傾螺旋重新使氣泡符合。

（5）讀數

用望遠鏡十字絲的中橫絲讀取水準尺的讀數。從尺上可直接讀出m、dm和cm，并估讀出mm，每個讀數必須4位齊全。如果某一位數是零，也必須讀出并記錄，不可省略，如1.402m、0.037m、1.500m等。讀數時，水準尺的影像無論倒字還是正字，一律按照從望遠鏡內讀數時應從小數往大數讀，讀足4位，不要漏0［圖2-15（a）、（b）］。讀數前應先認清水準尺的分劃特點，特別應注意與注字相對應的dm分劃線的位置。為了保證得出正確的水平視線讀數，在讀數前后都應該檢查氣泡是否符合。精平后應馬上讀數，速度要快，以減少氣泡移動引起讀數誤差。

（6）扶尺

水準尺左右傾斜容易在望遠鏡中發現，可及時糾正。當水準尺前后傾斜時，觀測員難以發現，導致讀數偏大。所以扶尺員應站在尺后，雙手握住把手，兩臂緊貼身軀，借助尺上水準器將尺鉛直立在測點上。使用尺墊時，應事先將尺墊踏緊，將尺立在半球頂端。使用塔尺時，要防止尺段下滑造成讀數錯誤。

（7）搬站

搬站時，先檢查儀器中心連接螺旋是否可靠，將腳螺旋調至等高，然后收攏架腿，一手扶著基座，一手斜抱著架腿夾在腋下，安全搬站。如果地形復雜，應將儀器裝箱搬站。嚴禁將儀器扛在肩上搬站，防止發生儀器事故。