任務1.8 了解自動安平水準儀和精密水準儀

1.8.1 自動安平水準儀簡介

自動安平水準儀是一種新型測量儀器。用DS₃微傾式水準儀進行水準測量時，圓氣泡居中后，還要轉動微傾螺旋使水準管氣泡居中，視線水平才能讀數。而自動安平水準儀在儀器內裝置了自動安平補償器代替了水準管，在使用時只要圓氣泡居中后就能自動提供一條水平視線。即圓氣泡居中，就可以讀數。這種儀器具有操作簡便、測量速度快、精度高等特點，深受廣大測量人員的歡迎，廣泛應用于各種工程建設。自動安平水準儀種類較多，如圖1.8.1（a）和圖1.8.1（c）所示分別為北京光學儀器廠早期生產的ZDS₃-1自動安平水準儀和廣東科力達有限公司生產的A型自動安平水準儀。

1.自動安平水準儀的基本原理

自動安平水準儀的基本原理是在水準儀的光學系統中，設置一個自動安平補償器，用以改變光路，使視準軸略有傾斜時，視線仍然保持水平，達到水準測量的要求。

如圖1.8.2所示，當視準軸水平時，在水準尺讀數為a，即a點的水平視線通過物鏡光路到達十字絲的中心。當視準軸傾斜了一個小角度α時，如圖1.8.2所示，視準軸讀數為a₀，為了使十字絲橫絲讀數仍為視準軸水平時的讀數a，在望遠鏡的光路中加入一個補償器，使通過物鏡光心的水平視線經過補償器的光學元件后偏轉了一個β角，水平光線將落在十字絲交點處，從而得到正確讀數。補償器要達到補償的目的應滿足下式

2.自動安平水準儀使用

自動安平水準儀的使用和微傾式水準儀使用方法基本相同，但自動安平水準儀不需要手動精平，其基本使用方法是：粗平—照準—讀數。即首先用腳螺旋使圓水準氣泡居中（粗平），然后用望遠鏡照準水準尺，十字絲中絲在水準尺上讀得的數，就是視線水平時的讀數。操作步驟比普通微傾式水準儀簡化，從而大大地提高工作效率。

1.8.2 精密水準儀簡介

精密水準儀主要用于國家的一等、二等精密水準測量、地震水準測量、大型橋梁的施工測量以及大型的機械安裝測量和變形觀測等。精密水準儀分為DS₁和DS_0.5等級，如威特廠N₃型和蔡司廠Ni004型的水準儀。并配備有精密水準尺。精密水準儀的望遠鏡放大率大、亮度好，水準管靈敏度高，儀器結構穩定，讀數精確，儀器密封性能好。

圖1.8.3所示為威特N₃型精密水準儀，望遠鏡放大率為42倍。水準管分劃值為10″/2mm，配合使用10mm分劃的水準尺，轉動測微螺旋，可使水平視線在10mm范圍內作平行移動，測微尺100 個分格，分格值為0.1mm，可以估讀0.01mm。

N₃型精密水準儀的使用方法與一般水準儀的使用方法基本相同，其主要差別在讀數上。如圖1.8.4所示，威特水準儀附有銦鋼水準尺一副，尺面有兩排分劃線，相鄰分劃線的長度為1cm，每隔2cm注一數字。正對尺面左側尺像為基本分劃，注記從零開始。右側尺像為輔助分劃，注記從301.550cm開始。在同一水平線上尺上基、輔分劃讀數差值為301.550m，以便觀測時進行校核。

在瞄準水準尺進行讀數時，先轉動微傾螺旋使水準管氣泡居中（水準管氣泡兩端半像符合），再轉動測微輪使十字絲的楔形絲恰好夾住某一基本分劃線，如圖1.8.4中對準152cm分劃線，在測微窗上讀取讀數為562（尾數估讀），實際讀數為0.562cm，兩數相加為152.562cm，然后再按以上方法讀輔助分劃的讀數設為454.113cm，兩數相差301.551cm，誤差為0.001cm。

北京測繪儀器廠生產DS₁ 型精密水準儀，如圖1.8.5所示，其讀數方法如圖1.8.6所示，其望遠鏡的放大率為40倍，水準管分劃值為10″／2mm，配合使用的為5mm分劃的精密水準尺，轉動測微螺旋，可以使水平視線在5mm范圍內作平行移動，測微分劃尺有100個分格，分格值為0.05mm，望遠鏡目鏡視場中看到的水準尺和十字絲影像等如圖1.8.6所示，視場左邊為水準管氣泡的符合影像。測微器讀數鏡在目鏡的右下方，影像如圖中小圓圈內所示。通過測微裝置使視線平行移動，為了能精確地對準水準尺上某一分劃，精密水準儀的十字絲橫絲（一側或兩側）刻成楔形的雙絲，用它去“夾住”某一分劃，如圖1.8.6所示。進行水準測量時，先轉動微傾螺旋使水準管氣泡兩端的影像嚴格符合，這時，視線水平。再轉動測微輪使楔形絲夾住某一分劃，讀出整分劃數，圖中讀數為1.97m；然后從測微讀數顯微鏡中讀得尾數1.50mm，全部讀數為1.97150m，由于這種水準尺為5mm分劃，注字比實際長度大一倍，因此，實際讀數應為1.97150÷2=0.98575m。

1.8.3 電子水準儀簡介

1.電子水準儀基本結構

1987年瑞士徠卡（Leica）公司推出了世界上第一臺電子水準儀NA2000。NA2000首次采用數字圖像技術處理標尺影像，并以CCD陣列傳感器取代測量員的肉眼對標尺讀數獲得成功。這種傳感器可以識別水準標尺上的條碼分劃，并用相關技術處理信號模型，自動顯示與記錄標尺讀數和視距，從而實現水準觀測自動化。

蔡司、拓普康、索佳等測量公司也先后推出了各自的電子水準儀。到目前為止，電子水準儀已經發展到了第二代、第三代產品，儀器測量精度已經達到了一等、二等水準測量的要求。圖1.8.7為蔡司DINI10/20電子水準儀的外觀圖。

電子水準儀是在自動安平水準儀的基礎上發展起來的。各廠家的電子水準儀采用了大體一致的結構，其基本構造由光學機械部分、自動安平補償裝置和電子設備組成。電子設備主要包括調焦編碼器、光電傳感器（即線陣CCD器件）、讀數電子元件、單片微處理機、接口（外部電源和外部存儲記錄）、顯示器件、鍵盤以及影像數據處理軟件等，標尺采用條形碼標尺供電子測量使用。

各廠家標尺的編碼方式和電子讀數求值過程由于專利權的原因而完全不同，因此不能互換使用。目前采用電子水準儀測量，照準標尺和調焦仍需人工目視進行。人工完成照準和調焦之后，標尺條碼一方面被成像在望遠鏡的分劃板上，供目視觀測；另一方面通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼又被成像在光電傳感器即線陣CCD器件上，供電子讀數。因此，如果使用傳統水準標尺，通過目視觀測，電子水準儀又可以像普通自動安平水準儀一樣使用，但是由于電子水準儀沒有光學測微裝置，當成普通自動安平水準儀使用時，測量精度低于電子測量時的精度。

2.電子水準儀的特點

電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD），并采用條碼標尺和圖像處理電子系統而構成的光電測量一體化的高科技產品。

采用普通標尺時，又可像一般自動安平水準儀一樣使用。它與傳統儀器相比有以下特點：

（1）讀數客觀。不存在誤讀、誤記問題，避免了人為讀數誤差。

（2）精度高。視線高和視距讀數都是采用大量條碼分劃圖像經處理后取平均數得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數儀器都有進行多次讀數取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業人員也能進行高精度測量。

（3）速度快。由于省去了報數、聽記、現場計算以及人為出錯的重復觀測，測量時間與傳統儀器相比可以節省1／3左右。

（4）效率高。只需調焦和按鍵就可以自動讀數，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄、檢核、處理并能輸入電子計算機進行后處理，可實現內外業一體化。

（5）操作簡單。由于儀器實現了讀數和記錄的自動化，并且預存了大量測量和檢核程序，在操作時還有實時提示，測量人員在學習中很快就能掌握使用方法，減少了培訓時間，即使是非專業人員也能很快熟練掌握使用儀器。