2.2 水準測量的儀器及工具

2.2.1 水準儀的構造

水準測量所使用的儀器為水準儀，其主要作用是提供一條水平視線，照準水準尺并讀取尺上的讀數。通過調整水準儀上的微傾螺旋使水準管氣泡居中以獲得水平視線的水準儀稱為微傾式水準儀，通過補償器獲得水平視線的水準儀稱為自動安平水準儀。目前常見的是自動安平水準儀。

我國的水準儀系列一般有DS₀₅、DS₁、DS₃和DS₁₀幾個等級，其中“D”、“S”分別

是“大地測量”、“水準儀”漢語拼音的首字母，下標數字表示使用該等級的水準儀進行施測，每千米往返高差中數的中誤差，以mm計。DS₃屬于常用的一般準儀，本教材以DS₃為介紹對象，掌握水準儀的結構和使用方法。

圖22 DS₃微傾式水準儀

1—物鏡；2—物鏡調焦螺旋；3—微動螺旋；4—制動螺旋；5—微傾螺旋；6—腳螺旋；

7—水準管氣泡觀察窗；8—水準管；9—圓水準器；10—圓水準器校正螺旋；

11—目鏡；12—準星；13—照門；14—基座

DS₃微傾式水準儀如圖22所示，它主要由三個部分組成：望遠鏡———用來提供水平視線，讀取水準尺上的讀數；水準器———用于指示視線是否處于水平狀態；基座———用于置平儀器并將儀器與腳架相連，它支承儀器的上部并保證其在水平方向轉動。基座上有三個腳螺旋，調節腳螺旋可使圓水準器的氣泡居中，使儀器粗略整平。望遠鏡和水準管與儀器的豎軸連接成一體，豎軸插入基座的軸套內，望遠鏡和管水準器在基座上可繞豎軸旋轉。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，望遠鏡能繞豎軸自由旋轉，使得目標位于視野內；制動螺旋擰緊時，望遠鏡只能通過微動螺旋來使其作緩慢、小幅度的轉動，用以精確瞄準目標。微傾螺旋可使望遠鏡連同管水準器作微量的上下傾斜，從而使視線精確水平。

2.2.1.1 望遠鏡

望遠鏡是由物鏡、目鏡、調焦透鏡、十字絲分劃板組成（圖23）。十字絲分劃板安裝在望遠鏡內部靠近目鏡的一端，是刻在玻璃片上的十字絲，用于瞄準目標。十字絲的圖像如圖24所示，豎直的那一根絲，稱為豎絲；水平中間最長的那根絲稱為中絲，上下的兩根短絲，分別稱為上絲、下絲。水準測量中用中絲讀取水準尺上的讀數來計算高差。

圖23 望遠鏡的結構

1—物鏡；2—目鏡；3—調焦透鏡；4—十字絲分劃板；

5—目鏡調焦螺旋；6—目鏡調焦螺旋

圖24 十字絲圖像

十字絲交點和物鏡光心的連線稱為視準軸，也稱視線，是水準儀的主要軸線之一，通常用CC表示。測量過程中，望遠鏡內必須同時能看到清晰的物像和十字絲。目鏡端設置了調焦螺旋，通過調節目鏡調焦螺旋可以將十字絲調至清晰狀態。觀測不同距離的目標，可旋轉物鏡調焦螺旋，從而將目標的影像調至清晰狀態。

2.2.1.2 水準器

水準器是用來顯示儀器是否置平的一種設備，是測量儀器上的重要部件。水準器分為管水準器和圓水準器兩種。

（1）管水準器。又稱為水準管，是一個封閉的玻璃管，按照不同精度要求將管的內壁縱向磨成不同半徑的圓弧形。管內加入酒精、乙醚或兩者混合液體，加熱液體并融封水準管兩端，液體冷卻后自然形成氣泡。如圖25所示，水準管表面兩端有間隔為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，通常用LL表示。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處于水平狀態，視線水平。

水準管上相鄰分劃線間的一格所對應的圓心角稱為水準管的分劃值τ，水準管的分劃值越小，視線置平的精度越高。

τ=2Rρ″

（2 4）

式中 τ———水準管表面相鄰分劃線所對的圓心角；

ρ″———以秒為單位計的弧度，取206265″；

R———水準管的內圓弧半徑，mm。

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26），使氣泡兩端的影像反射到一起。當氣泡居中時，兩端氣泡的影像就能附合在一起，如圖2 6（a）所示。故這種水準器稱為附合水準器，是微傾式水準儀上普遍采用的水準器。

圖2.5 水準管與水準管分劃值

圖2.6 水準管附合成像系統

圖27 圓水準器

（2）圓水準器。是一個封閉的圓形玻璃容器，頂蓋的內表面為一凸球面，容器內盛乙醚類液體，留有一小圓氣泡（圖27）。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，圓水準器的軸線位于鉛垂位置。圓水準器的內壁半徑遠小于水準管的內壁半徑，因此圓水準器只能用于粗略整平。

自動安平水準儀的結構特點是采用補償器取代了附合水準器和微傾螺旋，使用上通過圓水準器來保證水準儀粗略水平，再通過補償器來保證視線處于精確水平狀態。因此自動安平水準儀上只有圓水準器，沒有管水準器及相應的附合棱鏡系統，使用時只需要將圓水準器內的氣泡調至中央小圈內，即獲得精確的水平視線。

自動安平水準儀的型號是在DS后面加上Z，即DSZ₀₅、DSZ₁、DSZ₃和DSZ₁₀幾個等

級。圖28所示是天津森氏公司產DSC₂₃₂自動安平水準儀。

圖28 自動安平水準儀

1—物鏡；2—目鏡；3—目鏡調焦螺旋；4—瞄準管；5—圓水準器；6—水平微動螺旋；

7—腳螺旋；8—基座；9—物鏡調焦螺旋；10—自動安平補償器檢驗鈕

2.2.1.3 基座

水準儀的基座主要由軸承、腳螺旋、底板和三角壓板組成。其作用是支承儀器的上部

并與三腳架連接，通過腳螺旋并配合圓水準器，使儀器大致水平。2.2.2 水準尺和尺墊

2.2.2.1 水準尺

常用的水準尺由鋁合金或木材制成，有板尺和塔尺兩種，長度規格主要有3m和5m兩種。鋁合金塔尺全長5m，多數分為4節，可以伸縮，攜帶方便，但接頭處誤差大，而且使用過程中接頭處容易滑落，導致測量讀數錯誤。木質水準尺采用收縮性小、不易彎曲變形且質地堅硬的木料經專門干燥處理后制成。

常見的板尺是雙面刻劃的，通過雙面讀數來檢驗讀數并能提高測量結果的精度。常用的木質板尺為3m，表面從下往上每隔1cm涂有黑白或紅白相間的分格，每1dm注記一數字，在尺的側面安有圓水準器，用以保證水準測量過程中所立水準尺豎直。尺面分劃一面為黑白相間，叫黑面；另一面為紅白相間，叫紅面。黑面底部注記均是從零開始，而紅面底部注記的起始數一般為4687mm或4787mm。雙面水準尺必須成對使用，即一對水準尺中一根紅面起始讀數為4687mm，另一根為4787mm。水準儀瞄準一根水準尺，分別讀取黑面和紅面讀數，理論上兩讀數相差一個常數，即紅面的起始讀數，稱作為尺常數，常用K來表示。

圖29 尺墊

2.2.2.2 尺墊

尺墊的形狀為三角形（圖29），一般用生鐵鑄成，中央頂部有一半球形凸起，下有三個足尖。其作用是使每次水準尺有一個穩定且唯一的立尺點，防止水準尺下沉或位置發生變化，使用時應在轉點處先放置尺墊后立尺（注意已知點和待定點上一定不能放尺墊），其使用方法是將尺墊的三足輕踩入土中，然后將水準尺輕輕放在中央凸起處并使水準尺豎直。2.2.3 水準儀的使用

微傾式水準儀的使用包括安置、粗略整平、瞄準目標、精確水平、讀數這幾個步驟，自動安平水準儀沒有精確整平這一步。

2.2.3.1 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定，對每根架腿稍微用力踩入地面。在斜坡上架設應使三腳架的兩架腿在坡下，一架腿在坡上。取水準儀時必須握住儀器的堅固部位，然后將中心連接螺桿對準水準儀基座底板上的連接孔并旋緊，確認牢固地連接在三腳架上后才可松手。

2.2.3.2 粗略整平

儀器的粗略整平是用腳螺旋使圓水準器氣泡居中。先用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 10（a）中氣泡自1點移到圖中的線上，即圖2 10（b）中的2位置，如此可使儀器在這兩個腳螺旋連線的方向處于水平狀態。然后用第三個腳螺旋使氣泡居中，使原兩個腳螺旋連線的垂線方向也處于水平位置，從而使整個儀器置平。如氣泡仍有偏離可重復進行。應當注意的是操作時先旋轉其中兩個腳螺旋，然后只旋轉第三個腳螺旋。至于如何判定腳螺旋的旋轉方向，有如下兩

規律：

（1）基座的圓水準器氣泡所在那一側位置偏高。

（2）從上往下看，腳螺旋順時針旋轉，使基座的該腳螺旋所在一側升高；腳螺旋逆時針旋轉，使基座的該腳螺旋所在一側降低。

2.2.3.3 瞄準目標

利用望遠鏡的照門與準星從外部瞄準水準尺，旋緊水平制動螺旋，用微動螺旋使十字絲豎絲照準水準尺，調節目鏡使十字絲清晰，最后旋轉調焦螺旋使尺像清晰。照準目標時必須要消除視差，它是水準尺的成像沒有完全落在十字絲分劃板上造成的（圖211）。觀測時眼睛在目鏡處稍作上下移動，若發現目標影像與十字絲存在相互錯動的現象，即是視差。視差的存在會造成讀數不準確。消除視差的方法是先調節目鏡調焦螺旋使十字絲清晰，再調節物鏡調焦螺旋使尺像清晰，如此反復操作，直至眼睛在目鏡處上下稍微移動，讀數沒有變化為止。

圖210 水準儀粗略整平

圖211 視差現象

2.2.3.4 精確水平

由于圓水準器的靈敏度較低，所以用圓水準器只能使水準儀粗略整平。微傾式水準儀在每次讀數前還必須用微傾螺旋使水準管氣泡影像附合，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附合。所以望遠鏡每次變動方向重新瞄準目標，在讀數前都需要用微傾螺旋重新使氣泡附合。

注意：自動安平水準儀在圓水準器水平保證了儀器處于粗略水平的狀況下，通過補償器來獲得精確水平視線，因此沒有精確水平這一操作步驟。但這個前提是補償器要能正常工作，可以通過自動安平補償器檢驗鈕進行檢查。按動檢驗鈕，望遠鏡視野中的水準尺影像隨之產生上下擺動，并很快靜止，說明補償器能正常工作，可以進行施測。

2.2.3.5 讀數

當望遠鏡精確瞄準水準尺、實現精確整平后，即可讀數。普通水準測量，通常使用的是板尺或塔尺，每個讀數應有四位數、不帶小數點、所讀數單位是mm，從尺上直接讀出米、分米和厘米數，然后估讀出毫米數，零不可省略。如圖212中左圖中絲讀數為

1756，右圖中絲讀數為6649。

圖212 水準尺讀數