2.2　水準測量的儀器和工具

水準測量所使用的儀器和工具有水準儀、水準尺和尺墊三種。

2.2.1　DS3型微傾式水準儀

“D”和“S”分別為“大地測量”和“水準儀”漢語拼音的第一個字母,“3”表示用該類儀器進行水準測量,每千米往返測高差中數的偶然中誤差為±3mm。水準儀的類型很多,在工程測量中,最常用的是DS3型微傾式水準儀和自動安平水準儀,本節主要介紹DS3型微傾式水準儀。

如圖2.3所示,為我國生產的DS3型微傾式水準儀。它主要由望遠鏡、水準器和基座三部分構成。下面著重介紹其主要部件的結構與作用。

2.2.1.1　望遠鏡

望遠鏡是用來瞄準不同距離的水準尺并進行讀數。如圖2.4所示,該圖是DS3型水準儀望遠鏡的構造圖,它主要由物鏡、目鏡、調焦透鏡、調焦螺旋和十字絲分劃板所組成。

物鏡和目鏡均為復合透鏡組。物鏡的作用是將目標成像在十字絲平面上,形成縮小的實像。為使不同距離目標的像均能清晰地位于十字絲分劃板上,需旋轉物鏡調焦螺旋,稱為物鏡調焦。目鏡的作用是將物鏡所成的目標實像連同十字絲一起,形成放大的虛像。為使十字絲影像清晰,需轉動目鏡調焦螺旋,稱為目鏡調焦。

望遠鏡涉及以下重要概念:

1.視準軸

視準軸是指物鏡光心與十字絲交點的連線。觀測時的視線即是視準軸的延長線。視準軸是水準儀的主要軸線之一。

2.望遠鏡的放大率

望遠鏡的放大率是指從望遠鏡內所看到的物體的像的視角與直接觀察該物體的視角之比。DS3水準儀望遠鏡的放大率一般為30倍。

3.視差

用望遠鏡觀測時,觀測者的眼睛上下移動,如果目標的像與十字絲之間有相對移動,這種現象稱為視差。視差的存在會影響精確照準和讀數。其產生的原因是目標的影像沒有準確成像在十字絲平面上。清除視差的方法是采用目鏡調焦使十字絲清晰,然后照準目標,進行物鏡調焦,使目標的影像清晰,移動眼睛觀察視差是否清除,如仍存在視差,應反復調節目鏡和物鏡調焦螺旋。

4.正像與倒像

望遠鏡有正像和倒像兩種類型。目前生產的水準儀多為正像。用望遠鏡讀數時要分清正像與倒像,避免出錯。

2.2.1.2　水準器

水準器有水準管和圓水準器兩種。水準管用來使望遠鏡視準軸水平從而獲得水平視線;圓水準器是使豎軸處于鉛垂位置。

1.水準管

水準管,是一縱向內壁磨成圓弧形的玻璃管,管內裝酒精和乙醚的混合液,加熱融封冷卻后留有一個氣泡,如圖2.5所示。由于氣泡較輕,故恒處于管內最高位置。

水準管上一般刻有間隔為2mm的分劃線,分劃線的對稱中心O,稱為水準管的零點。通過零點作水準管圓弧的切線,稱為水準管軸LL,當水準管的氣泡中點與水準管零點重合時,稱為氣泡居中,這時水準管軸LL處于水平位置。水準管圓弧長2mm所對的圓心角τ,稱為水準管分劃值,用公式表示即

式(2.6)說明圓弧的半徑R越大,角值τ越小,則水準管靈敏度越高。DS3級水準儀水準管的分劃值一般為20″。

微傾式水準儀在水準管的上方安裝一組符合棱鏡,如圖2.6(a)所示。通過符合棱鏡的反射作用,使氣泡兩端的像反映在望遠鏡旁的符合氣泡觀察窗中。若氣泡兩端的半像吻合時,就表示氣泡居中,如圖2.6(b)所示。若氣泡的半像錯開,則表示氣泡不居中,如圖2.6(c)所示。這時,應轉動微傾螺旋,使氣泡的半像吻合。

2.圓水準器

如圖2.7所示,圓水準器頂面的內壁是球面,球面中央刻有小圓圈,圓圈的中心為水準器的零點。通過球心和零點的連線為圓水準器軸,當圓水準器氣泡居中時,圓水準器軸處于豎直位置。氣泡中心偏移零點2mm軸線所傾斜的角值,稱為圓水準器的分劃值。DS3水準儀圓水準器的分劃值一般為8'。由于它的精度較低,故只用于儀器的概略整平。

2.2.1.3　基座

基座的作用是支承儀器的上部,并與三腳架連接。它主要由軸座、腳螺旋、底板和三角壓板構成,轉動腳螺旋可使圓水準器氣泡居中。

2.2.2　水準尺和尺墊

1.水準尺

水準尺是進行水準測量時與水準儀配合使用的標尺。其質量好壞直接影響水準測量的精度。因此,水準尺需用不易變形且干燥的優質木材制成,要求尺長穩定,分劃準確。常用的水準尺有塔尺和雙面尺兩種,如圖2.8所示。

如圖2.8(a)為塔尺,塔尺多用于等外水準測量。其長度有3m和5m兩種,用兩節或三節套接在一起。尺的底部為零點,尺面上黑白格相間,每格寬度為1cm,有的為0.5cm,在米和分米處有數字注記。

如圖2.8(b)為雙面水準尺,雙面水準尺多用于等級水準測量。其長度為3m,兩根尺為一對。尺的兩面均有刻劃,一面黑白相間稱為黑面;另一面紅白相間稱為紅面。兩面最小刻劃均為1cm,并在分米處進行注記。兩根尺的黑面均由零開始,而紅面,一根尺由4.687m開始至7.687m,另一根由4.787m開始至7.787m。在視線高度不變的情況下,同一根水準尺的紅面和黑面讀數之差應等于常數4.687m或4.787m,這個常數稱為尺常數,用K表示,以此可以檢核讀數是否正確。

由于水準儀的望遠鏡有正像與倒像兩種類型,因此,在使用正像的水準儀時,應選用注記為正寫的水準尺,在使用倒像的水準儀時,則應選用注記為倒寫的水準尺。這樣在望遠鏡讀數時看到的均為正字。

2.尺墊

尺墊是在轉點處放置水準尺用的。如圖2.9所示,它用生鐵鑄成,一般為三角形,中央有一凸起的半球狀圓頂,下方有三個支腳,用時將支腳牢固地插入土中,以防下沉和移位,上方凸起的半球形頂點作為豎立水準尺和標志轉點之用。

注意:水準觀測時,已知水準點和待定水準點上,切記不能放置尺墊。