2.2 水準儀和水準尺

水準儀是水準測量的主要儀器。我國生產的水準儀按精度分為DS05, DS1, DS3, DS10, DS20等級，“D”和“S”分別為大地測量中的“大”和水準儀的“水”的漢語拼音第一個字母，05,1,3, 10,20表示該型號水準儀每千米往返測高差中數的偶然誤差，以mm計。其中DS3水準儀為普通工程最常使用的水準儀。

·2.2.1 微傾式水準儀的構造·

水準儀主要由望遠鏡、水準器和基座三部分構成，如圖2.3所示。水準儀的望遠鏡只能繞儀器豎軸在水平方向轉動，為了能提供水平視線，在儀器構造上安置了一個使望遠鏡上下做微小運動的微傾螺旋，所以稱微傾式水準儀。

圖2.3 微傾式水準儀

1—物鏡；2—目鏡；3—物鏡對光螺旋；4—水準管；5—圓水準器；

6—腳螺旋；7—制動螺旋；8—微動螺旋；9—微傾螺旋；10—基座

1)望遠鏡

望遠鏡由物鏡、目鏡和十字絲分劃板3個主要部分組成，它的主要作用是能使我們看清遠處的目標，并提供一條水平視線。圖2.4(a)為內對光望遠鏡構造圖，圖2.4(b)是望遠鏡的成像原理示意圖。

觀測目標通過物鏡后，在鏡筒內形成一個倒立的縮小實像，轉動物鏡對光螺旋，可以使倒像清晰地反映到十字絲平面上。目鏡的作用是放大，人眼經目鏡看到的是倒立的縮小實像和被同時放大的十字絲的虛像。十字絲的作用是提供照準目標的標準線。為了提高望遠鏡成像的質量，物鏡、目鏡以及對光透鏡由多塊透鏡組合而成。放大的虛像與用眼睛直接看到目標大小的比值，稱為望遠鏡放大率，它是鑒別望遠鏡質量的主要指標之一，反映了望遠鏡的鑒別能力。一般水準儀望遠鏡放大率為15~30倍，高精度的儀器達到50倍。

圖2.4 對光望遠鏡

十字絲分劃板是在玻璃片上刻線后，裝在十字絲環上，用3個或4個可轉動的螺絲固定在望遠鏡筒上，如圖2.5所示。十字絲的上下兩條短線稱為視距絲，上面的短線稱為上絲，下面的短線稱為下絲。由上絲和下絲在標尺上的讀數可求得儀器到標尺間的距離。十字絲橫絲與豎絲的交點與物鏡光心的連線稱為視準軸。

為了控制望遠鏡的水平轉動幅度，在水準儀上裝有一套制動和微動螺旋。當擰緊制動螺旋時，望遠鏡就被固定，此時可轉動微動螺旋，使望遠鏡在水平方向做微小轉動來精確照準目標。當松動制動螺旋時，微動就失去作用。有些儀器是靠摩擦制動，沒有制動螺旋而只有微動螺旋。

圖2.5 十字絲分劃板

圖2.6 圓水準器

2)水準器

水準器是水準儀的重要部件，是用來指示視準軸處于水平位置，豎軸處于鉛直位置的一種裝置。水準器分為圓水準器和管水準器兩種。

(1)圓水準器

圓水準器是一個玻璃圓盒，盒內裝有酒精與乙醚的混合液，加熱密封時留有氣泡而成，如圖2.6所示。

圓水準器內表面是圓球面，中央畫一小圓，其圓心稱為圓水準器的零點，過此零點的球面法線稱為圓水準器軸。當氣泡中心與零點重合時，即為氣泡居中。此時，圓水準器軸線處于鉛垂位置，也就是說水準儀豎軸處于鉛垂位置，儀器達到水平狀態。

在圓水準器通過零點的任意一個縱斷面方向上，氣泡中心偏離2 mm時，它所對的圓心角的大小就是圓水準器的分劃值。圓水準器分劃值一般表示為：

由式(2.7)可知，它和圓水準器頂部圓球面的半徑有關，半徑越大分劃值越小，半徑越小分劃值越大。分劃值小的圓水準器能使水準軸成豎直位置的精度較高。

圖2.7 管水準器

(2)管水準器

管水準器簡稱為水準管，它是把玻璃管縱向內壁磨成曲率半徑很大的圓弧面，管壁上刻有分劃線，管內裝有酒精與乙醚的混合液，加熱密封時留有氣泡而成，如圖2.7所示。

水準管內壁圓弧中心為水準管零點，過零點與內壁圓弧相切的直線稱為水準管軸。當氣泡兩端與零點對稱時稱為氣泡居中，這時的水準管軸處于水平位置，也就是水準儀的視準軸處于水平位置。水準管氣泡偏離零點2 mm弧長所對的圓心角“ ”稱為水準管分劃值。即：

式中 ρ——常數，ρ=206 265″；

R——水準管圓弧半徑，mm。

一般用 表示水準管的靈敏度， 值越小，精度越高，DS3型水準儀的 值通常為。

(3)符合式水準器

符合式水準器是提高管水準器置平精度的一種裝置。在水準管上方裝有一組符合棱鏡組，如圖2.8所示。氣泡兩端的半像經過折射之后，反映在望遠鏡旁的符合氣泡觀測窗內。如果氣泡的兩個半像重合，就表示水準管氣泡居中；反之就表示氣泡沒有居中，則應轉動微傾螺旋，調節氣泡居中。

由于符合式水準器通過符合棱鏡組成的折光反射把氣泡偏移零點的距離放大1倍，因此較小的偏移也能充分反映出來，從而提高了置平精度。

3)基座

基座主要是由軸座、腳螺旋和連接板構成。儀器上部通過軸插入座內，由基座支承整個儀器，儀器用連接螺旋與三腳架連接。

圖2.8 符合式水準器

圖2.9 水準尺

·2.2.2 水準尺·

水準尺是與水準儀配合進行水準測量的工具。常用的水準尺有直尺、折尺和塔尺，如圖2.9所示。水準尺長為3 m。水準尺的刻劃從零點開始，每隔1 cm涂有黑白或紅白相間的分格，每分米處注有數字。分米準確位置有的以字底為準，有的以字頂為準，還有的把數字寫在所在分米中間。

塔尺有5m和2m兩種。塔尺是雙面刻劃，有正字或倒字。雙面水準尺的分劃，一面是黑白相間的稱黑面尺(主尺)，黑面分劃以尺底為零；另一面是紅白相間的稱紅面尺(也叫輔助尺)，紅面分劃尺底為一常數：4 687 mm或4 787 mm。利用紅黑面尺零點差可以對水準尺讀數進行校核，以提高水準測量的精度。使用水準尺前一定要認清分劃的特點。

尺墊是供支承水準尺和傳遞高程所用的工具，如圖2.10所示，一般制成三角形或圓形的鐵座，中央有一突起的半圓球體為置尺的轉點，下有3個尖腳以便踏入土中使其穩定。尺子立在尺墊上，可防止尺子下沉。

圖2.10 尺墊