工作任務一 水準儀的構造及使用

一、水準儀概述

1.水準儀的型號及參數

水準儀是水準測量（高程測量）的主要儀器。“DS”分別是“大地”、“水準儀”漢語拼音的第一個字母，數字“05、1、3”等表示該儀器的精度，書寫時可以省略“D”，具體參數見表2-1。通常稱DS05、DS1為精密水準儀，主要用于國家一、二等水準測量和精密工程測量；稱DS3為普通水準儀，主要用于國家三、四等水準測量和常規工程建設測量。工程建設中，使用最多的是DS3普通水準儀。

2.水準儀的作用

主要是能提供一條水平視線，照準離水準儀一定距離處的水準尺并讀取尺上讀數，求出高差h。其次，可以利用視距測量的方法，測量出儀器至水準尺間的水平距離D。

3.水準儀的分類

按結構分為微傾式水準儀、自動安平水準儀、激光水準儀和數字水準儀（電子水準儀）。按精度分為精密水準儀和普通水準儀。

4.水準儀的保養與維護

養護的好可以延長水準儀壽命。

（1）避免陽光直射，禁止隨便拆卸儀器。

（2）旋鈕轉動要輕。

（3）擦拭目鏡、物鏡鏡片要用專用鏡頭紙。

（4）儀器出現故障，應由專業人士進行檢測和維修。

（5）每次使用后，均應將儀器擦拭干凈，保持干燥。

（6）儀器取出和裝進儀器箱都要輕拿輕放，防止振動。

5.常見水準儀及參數

目前，常見的水準儀及主要參數見表2-2。

二、DS3微傾式水準儀及使用

1.DS3微傾式水準儀的構造

圖2-1是國產DS3微傾式水準儀，主要由望遠鏡、水準器和基座三部分組成，各部分的具體組成和作用見表2-3。

物鏡光心與十字絲交點的連線稱望遠鏡的視準軸，即水準儀提供的水平視線。

水準軸與水準管軸的夾角稱為i角，正常情況下，i角為0°，否則稱為i角誤差，直接影響水準儀的測量精度。

2.DS3微傾式水準儀的附件

DS3微傾式水準儀附件主要包括三腳架、水準尺和尺墊，見表2-4和圖2-2。

3.DS3微傾式水準儀的使用

普通水準儀的操作分為安置儀器、粗略整平、瞄準水準尺、精確整平和讀數。

（1）安置儀器。安置水準儀的基本方法是：張開三腳架，根據觀測者的身高，調節好架腿的長度，使其高度適中，目估架頭大致水平，取出儀器，用連接螺旋將水準儀固定在架頭上。地面松軟時，應將三腳架踩入土中，在踩腳架時應注意使圓水準氣泡盡量靠近中心。

（2）粗略整平。旋轉腳螺旋使圓水準氣泡居中，儀器的豎軸大致鉛垂，望遠鏡的視準軸大致水平。旋轉腳螺旋方向與圓水準氣泡移動方向的規律是：用左手旋轉腳螺旋時，左手大拇指移動方向即為水準氣泡移動方向（右手相反），如圖2-3所示。設氣泡偏離中心于a處時，可先選擇一對腳螺旋①、②，用雙手以相對方向轉動兩個腳螺旋，使氣泡移至兩腳螺旋連線的中間b處；然后再轉動腳螺旋③使氣泡居中。此項工作反復進行，直至在任意位置氣泡都居中。

小竅門：使圓水準氣泡居中的工作。分兩步進行速度快。

①利用三腳架腿使圓水準氣泡大致居中。

方法：踩實兩個架腿，用手握緊第三個架腿做前后、左右移動可使氣泡大致居中。

規律：前后一致，左右相反。即架腿前后移動氣泡也前后移動且移動方向相同，架腿左右移動氣泡也左右移動，但移動方向相反。

注意：移動架腿也需要踩實，所以氣泡位置要事先留一定量。

②利用腳螺旋使圓水準氣泡精確居中。

方法：先轉動其中兩個腳螺旋，氣泡在這兩個腳螺旋連線方向上移動到中間位置，再轉動第三個腳螺旋，氣泡即可居中。

規律：氣泡移動方向與左手大拇指運動方向一致。

注意：兩個腳螺旋必須相向或相背旋轉，轉動第三個腳螺旋時絕對不能再轉動前兩個的其中一個。此項工作反復進行，直至在任意位置氣泡都居中。

（3）瞄準水準尺。瞄準就是使望遠鏡對準水準尺，清晰地看到目標和十字絲成像，以便準確地進行水準尺讀數。

（4）精確整平。精確整平簡稱精平，先從望遠鏡的側面觀察管水準氣泡偏離零點的方向，旋轉微傾螺旋，使氣泡大致居中，再從目鏡左邊的符合氣泡觀察窗中察看兩個氣泡影響是否吻合，如不吻合，再慢慢旋轉微傾螺旋直至完全吻合。

（5）讀數。儀器精平后，應立即用十字絲的中絲在水準尺上讀數。讀數前要認清水準尺的注記特征，讀數時要按從小到大的方向，讀取米、分米、厘米、毫米四位數字，最后一位毫米為估讀數。如圖2-4所示，黑面尺的讀數為1608；完成黑面尺的讀數后，將水準尺縱轉180°，立即讀取紅面尺的讀數6295，這兩個讀數之差為4687，正好等于該尺紅面注記的零點常數，說明讀數正確。

注意：由于水準儀粗平后，豎軸不是嚴格鉛直，當望遠鏡由一個目標（后視）轉到另一目標（前視）時，氣泡不一定符合，應重新整平，氣泡符合后才能讀數。

4.水準儀的望遠鏡調焦

所有儀器的望遠鏡使用方法都相同。

（1）初步瞄準。松開制動螺旋，轉動望遠鏡，利用鏡筒上的照門和準星連線對準水準尺，然后擰緊制動螺旋。

（2）目鏡調焦。轉動目鏡調焦螺旋，直至清晰地看到十字絲。

（3）物鏡調焦。轉動物鏡調焦螺旋，使水準尺成像清晰。

（4）精確瞄準。轉動微動螺旋，使十字絲的豎絲對準水準尺像中間位置。

（5）消除視差。瞄準時應注意消除視差。所謂視差，如圖2-5所示，就是當目鏡、物鏡對光不夠精細時，目標的影響不在十字絲平面上，以致兩者不能同時被看清楚。視差的存在會影響瞄準和讀數精度，必須加以檢查并消除。檢查有無視差，可用眼睛在目鏡端上、下微微移動，若發現十字絲和水準尺成像有相對移動現象，說明視差存在。消除視差的方法是仔細地進行目鏡調焦和物鏡調焦，直至眼睛上下移動而讀數不變為止。

5.讀水準尺步驟

（1）概略瞄準。用望遠鏡上的缺口和準星（或瞄準器），在望遠鏡外瞄準水準尺，旋緊制動螺旋。

（2）精確瞄準。從望遠鏡中觀察水準尺，調節微動螺旋，精確瞄準水準尺（十字絲豎絲平分尺面）。調節目鏡、物鏡對光螺旋，消除視差。

（3）定平水準管。轉動微傾螺旋使長水準管氣泡居中。

（4）讀數。讀取中絲讀數，依次讀取米、分米、厘米數值，估讀毫米，一般記錄以米為單位。

（5）讀數校核。讀完讀數后，要復核長水準管氣泡是否居中，若居中則讀數有效，否則需要重復（3）、（4）兩個步驟。

6.水準觀測的要點

以下是水準觀測要點，記住對快速準確讀數有很大好處。

（1）消。一定要消除視差。

（2）平。視線要水平。

（3）快。讀數要快。

（4）小。估讀毫米要取小值。

（5）檢。讀數后要檢查視線是否水平。

7.微傾式水準儀精密定平法

在施工測量中，經常會安置一次儀器進行多個點的高程測量，測量時間較長，容易出現儀器圓水準氣泡偏離中心的情況，為減少安平次數，采用“精密定平法”，步驟如下：

（1）平行居中。儀器概略整平后，將水準管放置在與某兩個腳螺旋連線平行的位置，并轉動這兩個腳螺旋，使長水準管氣泡劇中。

（2）反向居中。將望遠鏡水平旋轉180°，若長水準管氣泡不居中，則仍用這兩個腳螺旋微調使氣泡偏差縮小一半，再用微傾螺旋使其居中。

（3）垂直居中。將望遠鏡水平旋轉90°，利用第三個腳螺旋使氣泡居中，這樣望遠鏡在任何方向均處于水平狀態。

注意：圓水準氣泡可能不居中，正常現象。

三、自動安平水準儀

1.自動安平水準儀的結構

儀器由望遠鏡、自動補償器、豎軸系、制微動機構及基座等部分組成。

如圖2-6所示，望遠鏡為內調焦式的正像望遠鏡，大物鏡采用單片加雙膠透鏡形式，具有良好的成像質量，結構簡單。

自動補償器采用精密微型軸承吊掛補償棱鏡，整個擺體運轉靈敏，擺動范圍可通過限位螺釘進行調節。補償器采用空氣阻尼機構，使用兩個阻尼活塞，具有良好的阻尼性能。望遠鏡視場左端的小窗為補償器警告指示窗。當儀器豎軸傾角在補償器正常有效工作范圍內時，警告指示窗全部呈綠色，當超越補償范圍時，窗內一端將出現紅色，這時應重新安置儀器。當綠色窗口中亮線與三角缺口重合時，儀器處于鉛垂狀態，圓水準器氣泡居中。

儀器采用標準圓柱軸，轉動靈活。基座起支承和安平作用。腳螺旋中絲母和安平絲杠的間隙，可以利用調節螺釘來調節，以保證腳螺旋舒適無晃動。基座上設有水平金屬度盤，可以測量兩個目標間的水平角。

2.自動安平水準儀的使用

與DS3水準儀使用方法基本相同，只是不需要精確整平。

（1）安裝三腳架。將三腳架置于測點上方，三個腳尖大致等距，同時要注意三腳架的張角和高度要適宜，且應保持架面盡量水平，順時針轉動腳架下端的翼形手把，可將伸縮腿固定在適當的位置。腳尖要牢固地插入地面，要保持三腳架在測量過程中穩定可靠。

（2）儀器安裝在三腳架上。儀器放在三腳架上，并用中心螺旋將儀器可靠緊固。

（3）儀器整平。方法與DS3水準儀相同。

（4）瞄準標尺。分以下三步進行：

1）調節視度。使望遠鏡對著明亮處，旋轉望遠目鏡使分劃板變得清晰即可。

2）粗略瞄準目標。瞄準時用雙眼同時觀測，一只眼睛注視瞄準口內的十字絲，一只眼睛注視目標，轉動望遠鏡使十字絲和目標重合。

3）精確瞄準目標。擰緊制動手輪，轉動望遠鏡調焦手輪，使目標清晰地成像在分劃板上。這時眼睛做上下、左右的移動，目標像與分劃板刻線應無任何相對位移，即無視差存在。然后轉動微動手輪，使望遠鏡精確瞄準目標。

此時，警告指示窗應全部呈綠色，方可進行標尺讀數。

（5）讀數。方法與DS3水準儀相同。

3.自動安平水準儀的注意事項

與DS3水準儀類似，使用方法要得當。

（1）儀器安置。儀器安置在三腳架上時，必須將儀器緊固，三腳架應安放穩固。

（2）陽光照射。儀器在工作時，應盡量避免陽光直接照射，可以帶遮光罩。

（3）注意補償器。儀器較長時間沒有使用，在測量前應檢查補償器的失靈程度，可轉動腳螺旋，如警告指示窗兩端能分別出現紅色，反轉腳螺旋時窗口內紅色能夠消除并出現綠色，說明補償器擺動靈活，可進行測量。

（4）觀測過程。觀測過程中應隨時注意望遠鏡視場中的警告顏色，小窗中呈綠色時表明自動補償器處于補償工作范圍內，可以進行測量。任意一端出現紅色時都應重新安平儀器后再進行觀測。

（5）儀器保管。測量結束后，用軟毛刷拂去儀器上的灰塵，望遠鏡的光學零件表面不得用手或硬物直接觸碰，以防油污或擦傷。儀器使用過后應放入儀器箱內，并保存在干燥通風的房間內。

（6）儀器運輸。儀器在長途運輸過程中，應使用外包裝箱，并應采取防震防潮措施。

4.自動安平水準儀的特點

與DS3水準儀相比，自動安平水準儀有以下特點：

（1）無制動螺旋。大部分自動安平水準儀的機械部分采用了摩擦制動（無制動螺旋）控制望遠鏡的轉動。

（2）省略精確整平。自動安平水準儀在望遠鏡的光學系統中裝有一個自動補償器代替了管水準器起到了自動安平的作用。當望遠鏡視線有微量傾斜時，補償器在重力作用下對望遠鏡做相對移動從而能自動而迅速地獲得視線水平時的標尺讀數。

自動安平水準儀由于沒有制動螺旋、管水準器和微傾螺旋，在觀測時候，在儀器粗略整平后，即可直接在水準尺上進行讀數，因此自動安平水準儀的優點是省略了“精平”過程，從而大大加快了測量速度。

四、電子水準儀

電子水準儀，也稱數字水準儀。在望遠鏡的光路中增加了分光鏡和光電探測器等部件，采用條形碼分劃水準尺和圖像處理電子系統構成光、機、電及信息存儲與處理的一體化水準測量系統。

1.電子水準儀的測量原理

電子水準儀的關鍵技術是自動電子讀數及數據處理，徠卡NA系列采用相關法；蔡司DiNi系列采用幾何法；拓普康DL系列采用相位法，三種方法各有長處。如圖2-7所示為采用相關法的徠卡DNA03電子水準儀的機械光學結構圖。當用望遠鏡照準標尺并調焦后，標尺上的條形碼影像入射到分光鏡上，分光鏡將其分為可見光和紅外光兩部分，可見光影像成像在分劃板上，供目視觀測；紅外光影像成像在光電探測器上，探測器將接收到的光圖像先轉換成模擬信號，再轉換成數字信號傳送給儀器處理器，通過與機內事先存儲好的標尺條形碼本源數字信息進行相關比較，當兩信號處于最佳相關位置時，即獲得水準尺上的水平視線讀數和視距讀數，最后將處理結果存儲并輸出到屏幕顯示。

2.電子水準儀的特點

與光學水準儀相比，電子水準儀具有如下特點：

（1）電子讀數。用自動電子讀數代替人工讀數，不存在讀錯、記錯等問題，沒有人為讀數誤差。

（2）讀數精度高。多條碼（等效為多分劃）測量，削弱標尺分劃誤差，自動多次測量，削弱外界環境變化的影響。

（3）內外業一體化。速度快、效率高，實現自動記錄、檢核、處理和存儲，可實現水準測量從外業數據采集到最后成果處理的內外業一體化。

（4）具有普通水準儀的功能。電子水準儀一般設置有補償器的自動安平水準儀，當采用普通水準尺時，電子水準儀又可當作普通自動安平水準儀使用。

3.條紋編碼水準尺

與電子水準儀配套的條碼水準尺一般為銦瓦帶尺、玻璃鋼或鋁合金制成的單面或雙面尺，形式有直尺和折疊尺兩種，規格有1m、2m、3m、4m、5m幾種，尺子分劃的一面為二進制偽隨機碼分劃線，其外形類似于一般商品外包裝上印制的條紋碼，如圖2-8所示。

注意：不同生產廠家的電子水準儀，都有自己配套的條碼尺，不能混用。