第一節 水準儀及其使用

一、水準儀概述

水準儀是水準測量時用于提供水平視線的儀器，其作用是照準離水準儀一定距離的水準尺并讀取尺上的讀數，求出高差。我國對水準儀按其精度從高到低分為DS05、DS1、DS3和DS10四個等級，其中 “D”為大地測量儀器的總代號，“S”為“水準儀”漢語拼音的第一個字母，下標是指水準儀所能達到的每公里往返測高差中數中誤差（mm）。DS05、DS1為精密水準儀，主要用于國家一等、二等水準測量和精密工程測量；DS3、DS10為普通水準儀，主要用于國家三等、四等水準測量和常規工程建設測量。目前通用的水準儀從構造上可分為兩大類：第一類是利用水準管來獲得水平視線的水準管水準儀，其主要形式稱“微傾式水準儀”；另一類是利用補償器來獲得水平視線的“自動安平水準儀”。此外，還有電子水準儀、激光水準儀等。

二、DS3水準儀及其構造

（一）DS3型微傾式水準儀構造

DS3型微傾式水準儀主要由望遠鏡、水準器和基座三個主要部分組成。儀器通過基座與三腳架連接，基座下三個腳螺旋用于儀器的粗略整平。望遠鏡一側裝有一個管水準器，當轉動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。因此，這種水準儀稱為微傾式水準儀。儀器在水平方向的轉動，由水平制動螺旋和水平微動螺旋控制。水準儀各部分的名稱如圖2-1所示。

1.望遠鏡

望遠鏡的基本構造如圖2 2所示，它由物鏡、調焦透鏡、十字絲分劃板和目鏡組成。物鏡由一組透鏡組成，相當于一個凸透鏡。根據幾何光學原理，被觀測的目標經過物鏡和調焦透鏡后，成一個倒立實像于十字絲附近。由于被觀測的目標離望遠鏡的距離不同，可轉動對光螺旋使對光透鏡在鏡筒內前后移動，使目標的實像能清晰地成像于十字絲分劃板平面上，再經過目鏡的作用，使倒立的實像和十字絲同時放大而變成倒立放大的虛像。放大的虛像與眼睛直接看到的目標大小的比值，即為望遠鏡的放大率。DS3型水準儀的望遠鏡放大率約為30倍。

為了用望遠鏡精確照準目標進行讀數，在物鏡筒內光闌處裝有十字絲分劃板，其類型多樣，如圖2-3所示。十字絲中心與物鏡光心的連線稱為望遠鏡的視準軸，也就是視線。視準軸是水準儀的主要軸線之一。圖中相互正交的兩根長絲稱為十字絲，其中垂直的一根稱為豎絲，水平的一根稱為橫絲或中絲，橫絲的上、下方兩根短絲是用于測量距離的，稱為視距絲。

2.水準器

水準器是水準儀的重要組成部分，它用于整平儀器，分為圓水準器和管水準器。圓水準器如圖2 4所示，用一個玻璃圓盒制成，裝在金屬外殼內，所以也稱為圓盒水準器。玻璃的內表面磨成球面，中央刻一個小圓圈或兩個同心圓，圓圈中點和球心的連線稱為圓水準軸。當氣泡位于圓圈中央時，圓水準軸處于鉛垂狀態。普通水準儀圓水準器分劃值一般是8′/2mm。由于圓水準器的精度較低，所以它主要用于儀器的粗略整平。

管水準器也稱符合水準器或水準管，如圖2-5所示。它是用一個內表面磨成圓弧的玻璃管制成的，玻璃管內注滿酒精和乙醚的混合物，通過加熱和冷卻等處理后留下一個小氣泡，當氣泡與圓弧中點對稱時，稱為氣泡居中。水準管圓弧的中心點O，稱為水準器的零點，過零點和圓弧相切的直線，稱為水準器的水準軸。水準管的中央部分刻有間距為2mm的與零點左右對稱的分劃線，2mm分劃線所對的圓心角表示水準管的分劃值，分劃值越小，靈敏度越高，DS3型水準儀的水準管分劃值一般為20″/2mm。目前生產的水準儀都在水準管上方設置一組棱鏡，通過內部的折光作用，可以從望遠鏡旁邊的小孔中看到氣泡兩端的影像，并根據影像的符合情況判斷儀器是否處于水平狀態，如果兩側的半拋物線重合為一條完整的拋物線，說明氣泡居中，否則需要調節，故這種水準器稱為符合水準器。圖2-6是微傾式水準儀上普遍采用的水準器。

3.基座

基座由軸座、腳螺旋和連接板組成?；莾x器與三腳架連接的重要部件。

水準儀上除以上三大件外，還有一套操作螺旋：制動螺旋，其作用是限制望遠鏡在水平方向的轉動；微動螺旋，在望遠鏡制動后，利用它使望遠鏡做輕微的轉動，以便精確瞄準水準尺；對光螺旋，可以使望遠鏡內的對光透鏡做前后移動，從而看清楚目標；目鏡調焦螺旋，通過調節來看清楚十字絲；微傾螺旋，通過調節使管水準器的氣泡居中，達到精確整平儀器的目的；三個腳螺旋，用來粗略整平儀器。

（二）水準尺及其讀數

水準尺是水準測量時用以讀數的重要工具，與DS3型水準儀配套使用的水準尺常用干燥且良好的木材、玻璃鋼或鋁合金制成。根據它們的構造，常用的水準尺可分為直尺和塔尺兩種，長度為2～5m。塔尺能伸縮，方便攜帶，但接合處容易產生誤差，如圖2-7(a)所示，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，尺底為0，如圖2-7(b)所示。以前用的水準儀大多為倒像望遠鏡，為了便于讀數，標注的數字常倒寫。

一般用于三、四等水準測量和圖根水準測量的水準尺是長度整3m的雙面（黑紅面）木質標尺，黑面為黑白相間的分格，紅面為紅白相間的分格，分格值均為1cm。尺面上每5個分格組合在一起，每分米處注記倒寫的阿拉伯數字，讀數視場中即呈現正像數字，并由上往下逐漸增大，所以讀數時應由上往下讀。通常兩根尺子組成一對進行水準測量。兩直尺的黑面起點讀數均為0mm，紅面起點則分別為4687mm和4787mm。目前大量使用的自動安平水準儀都是正像水準儀，故標尺每分米處注記正寫的阿拉伯數字，讀數視場中呈現的也是正像數字，由下往上逐漸增大，讀數時應由下往上讀。

（三）尺墊及其作用

尺墊是用于轉點上的一種工具，用鋼板或鑄鐵制成(圖2-8)。使用時把三個尖腳踩入土中，把水準尺立在突出的圓頂上。尺墊可使轉點穩固，防止下沉。

三、DS3型水準儀的使用

水準儀的使用有以下幾個作業程序：安置、粗平、瞄準、精平和讀數。

（一）安置水準儀

首先打開三腳架，安置三腳架要求高度適當、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。然后把水準儀用中心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，并確認已牢固地連接在三腳架上之后才可放手。

（二）粗略整平

利用水準儀的三個腳螺旋使圓水準氣泡居中，整平方法：①先用雙手按圖2-9（a）箭頭所指方向同時轉動A、B兩個腳螺旋，使氣泡由1移到2位置；②按圖2-9（b）旋轉第三個腳螺旋C，使氣泡居中，此時水準儀已粗略整平。如仍有偏差可重復進行。

（三）瞄準標尺

（1）調節目鏡。讓望遠鏡對向明亮處，轉動目鏡調焦螺旋，使十字絲成像清晰。

（2）大致瞄準。先松開制動螺旋，利用望遠鏡上面的缺口和準星大致瞄準目標，然后擰緊制動螺旋。

（3）對光。調節對光螺旋，看清楚目標。

（4）精確瞄準。調節水平微動螺旋，直到標尺移動到十字絲的中間。

（5）消除視差。照準標尺讀數時，若對光不準，尺像沒有落在十字絲分劃板上，這時眼睛上下移動，讀數隨之變化，這種現象稱為視差。這時要旋轉調焦螺旋，仔細觀察，直到不再出現尺像和十字絲有相對移動為止，此時視差消除。

（四）視線的精確整平

目標瞄準后，調節微傾螺旋使管水準器氣泡居中即符合氣泡的兩弧重合，這時視線就處于精確水平狀態。需注意的是：由于微傾螺旋旋轉時，有可能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，水準管氣泡不再符合。所以望遠鏡每次變動方向后，即每次讀數前，都必須用微傾螺旋重新使氣泡居中。

（五）讀數

用十字絲中間的橫絲讀取水準尺的讀數。從尺上可直接讀出米、分米和厘米數，并估讀出毫米數，所以每個讀數必須有四位數。如果某一位數是零，也必須讀出并記錄，不可省略。

由于望遠鏡一般都為倒像，所以從望遠鏡內讀數時應由上向下讀，即由小數向大數讀。如圖2-10所示，其讀數為1.847m,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分米分劃線的位置。為了保證得出正確的水平視線讀數，在讀數前和讀數后都應該檢查水準管氣泡是否符合。

四、DS3型水準儀的檢驗與校正

根據水準測量的原理，對水準儀各主要軸線之間的關系提出了一定的要求，只有這樣，才能保證測量的正確。雖然儀器在出廠之前，對各軸線之間的幾何關系是經過檢測的，但由于運輸過程的震動和長期使用等因素的影響，其幾何關系可能會發生變化，因此在儀器使用之前及使用中有必要進行檢驗和校正。檢驗的目的是判斷儀器的幾何軸線關系是否滿足要求，校正則是對不滿足條件的軸線進行修正。

（一）水準儀的軸線及各軸線應滿足的幾何條件

微傾式水準儀的主要軸線如圖2-11所示，它們之間應滿足如下幾何條件：

（1）圓水準器軸應平行于儀器的豎軸（L0L0∥VV）。

（2）十字絲的橫絲應垂直于儀器的豎軸。

（3）水準管軸應平行于視準軸（LL∥CC）。

（二）水準儀檢驗、校正的項目與方法

1.圓水準器軸（L0L0）與豎軸（VV）垂直的檢驗和校正

（1）檢驗。調節腳螺旋使圓水準器氣泡居中，然后將儀器上部旋轉180°，若氣泡仍居中，則表示圓水準器軸已平行于豎軸，若氣泡偏離中心則需進行校正。

（2）校正。用腳螺旋使氣泡向中央方向移動偏離量的一半，然后撥圓水準器的校正螺旋使氣泡居中，如圖2-12所示。由于一次撥動不易使圓水準器校正得很完善，所以需重復上述的檢驗和校正，使儀器上部旋轉到任何位置氣泡都能居中為止。

2.十字絲橫絲與豎軸（VV）垂直的檢驗和校正

（1）檢驗。先用橫絲的一端照準一固定的目標或在水準尺上讀一讀數，然后用微動螺旋轉動望遠鏡，用橫絲的另一端觀測同一目標或讀數。如果目標仍在橫絲上或水準尺上讀數不變，如圖2-13（a）所示，說明橫絲已與豎軸垂直。若目標偏離了橫絲或水準尺讀數有變化，如圖2-13（b）所示，則說明橫絲與豎軸不垂直，應予以校正。

（2）校正。打開十字絲分劃板的護罩，可見到3個或4個分劃板的固定螺絲，如圖2-14所示。松開這些固定螺絲，用手轉動十字絲分劃板座，反復試驗使橫絲的兩端都能與目標重合或使橫絲兩端所得水準尺讀數相同，則校正完成。最后旋緊所有固定螺絲。

3.水準管軸（LL）與視準軸（CC）平行的檢驗和校正

（1）檢驗。在平坦地面選相距40～60m的A、B兩點，在兩點打入木樁或設置尺墊。水準儀首先置于離A、B等距的Ⅰ點，測得A、B兩點上的讀數a1和b1，則hⅠ=a1-b1，如圖2-15（a）所示。這時可能是兩種情況：第一種情況，視準軸與水準管軸平行，則hⅠ就是A、B兩點之間的正確高差；第二種情況，視準軸與水準管軸不平行，但由于儀器到兩點的距離相等，i角構成的誤差對后視讀數和前視讀數的影響相同，它們的差值可以使誤差抵消，因此，hⅠ也是A、B兩點的正確高差。所以可以得出這樣一個結論：只要把儀器安置在距離兩點相等的地方，就可以測出正確的高差。

然后把水準儀移至距離B點很近的地方Ⅱ點，再次測A、B兩點的高差，如圖2-15（b）所示，仍把A作為后視點，故得高差hⅡ=a2-b2。如果hⅡ=hⅠ，說明在測站Ⅱ所得的高差也是正確的，這也說明在測站Ⅱ觀測時視準軸是水平的，故水準管軸與視準軸是平行的，即i=0。如果hⅡ≠hⅠ，則說明存在i角的誤差，由圖2-15（b）可知

而

式中 Δ——儀器分別在Ⅱ和Ⅰ所測高差之差;

S——A、B兩點間的距離。

對于一般水準測量，要求i角不大于20″，否則應進行校正。

（2）校正。為了使視準軸水平，用微傾螺旋使遠點A的讀數從a2改變到a′2（a′2=a2+hⅠ），用這樣的方法來計算有一個假設，即由于在第二次觀測時儀器與B點距離非常近，i角構成的誤差對前視讀數的影響也就非常小，可以對此非常小的誤差忽略不計，這樣在不影響結果的前提下可以簡化計算。此時視準軸由傾斜位置改變到水平位置，但水準管也因微傾螺旋的轉動隨之變動，氣泡由原來的符合變成不再符合，也就是說，此時水準管軸不是水平的。

如圖2-16所示，用校正針撥動水準管一端的校正螺旋使氣泡符合，使水準管軸也處于水平位置從而使水準管軸平行于視準軸。校正時先松動左右兩校正螺旋，然后撥上下兩校正螺旋使氣泡符合。撥動上下校正螺旋時，應先松一個再緊另一個逐漸改正，當最后校正完畢時，所有校正螺旋都應適度旋緊。

（三）水準儀檢驗和校正的注意事項

（1）在校正時必須按照一定的順序進行，即圓水準器、十字絲和水準管的順序。

（2）在水準儀的三個幾何條件中，第三個條件是主要條件，它對測量超限的影響也是最大的，因此，應該予以重點校正。

（3）在校正的過程中，這些條件不是通過一次校正就可以滿足要求的，因此，應該細致、耐心地多做幾次，直到滿足條件為止。

五、其他水準儀簡介

（一）自動安平水準儀

自動安平水準儀是一種不用水準管而能自動獲得水平視線的水準儀。由于水準管水準儀在用微傾螺旋使氣泡符合時要花一定的時間，水準管靈敏度越高，整平需要的時間越長。在松軟的土地上安置水準儀時，還要隨時注意氣泡有無變動。而自動安平水準儀在用圓水準器使儀器粗略整平后，經過1～2s即可直接讀取水平視線讀數。當儀器有微小的傾斜變化時，補償器能隨時調整，始終給出正確的水平視線讀數。因此，它具有觀測速度快、精度高的優點，被廣泛地應用在各種等級的水準測量中。

自動安平水準儀的使用方法較微傾式水準儀簡便。首先也是用腳螺旋使圓水準器氣泡居中，完成儀器的粗略整平。然后用望遠鏡照準水準尺，即可用十字絲橫絲讀取水準尺讀數，所得的就是水平視線讀數。由于補償器有一定的工作范圍，即能起到補償作用的范圍，所以使用自動安平水準儀時，要防止補償器貼靠周圍的部件而不處于自由懸掛狀態。有的儀器在目鏡旁有一按鈕，它可以直接觸動補償器。讀數前可輕按此按鈕，以檢查補償器是否處于正常工作狀態，也可以消除補償器輕微的貼靠現象。如果每次觸動按鈕后，水準尺讀數變動后又能恢復原有讀數則表示工作正常。如果儀器上沒有這種檢查按鈕則可用腳螺旋使儀器豎軸在視線方向稍作傾斜，若讀數不變則表示補償器工作正常。由于要確保補償器處于工作范圍內，使用自動安平水準儀時應十分注意圓水準器的氣泡居中。

圖2-17所示為自動安平水準器，圖2-18所示為蘇一光NAL124自動安平水準儀。

（二）電子水準儀

電子水準儀又稱數字水準儀，它是在自動安平水準儀的基礎上發展起來的。它采用條碼標尺，各廠家標尺編碼的條碼圖案不相同，不能互換使用。圖2-19為美國天寶DINI 03電子水準儀。

目前,電子水準儀在照準標尺和調焦時仍需目視進行。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分化板上，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（又稱探測器）上，即線陣CCD器件上，供電子讀數。因此，如果使用傳統水準標尺，電子水準儀又可以像普通自動安平水準儀一樣使用。不過這時的測量精度低于電子測量的精度。電子水準儀與傳統水準儀相比具有以下特點：

（1）讀數客觀。不存在誤讀、誤記和人為讀數誤差、出錯。

（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值得出來的，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，可以削弱外界條件的影響。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、記錄、現場計算的時間，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。