2.2 水准仪和水准尺

水准仪是水准测量的主要仪器。我国生产的水准仪按精度分为DS05, DS1, DS3, DS10, DS20等级，“D”和“S”分别为大地测量中的“大”和水准仪的“水”的汉语拼音第一个字母，05,1,3, 10,20表示该型号水准仪每千米往返测高差中数的偶然误差，以mm计。其中DS3水准仪为普通工程最常使用的水准仪。

·2.2.1 微倾式水准仪的构造·

水准仪主要由望远镜、水准器和基座三部分构成，如图2.3所示。水准仪的望远镜只能绕仪器竖轴在水平方向转动，为了能提供水平视线，在仪器构造上安置了一个使望远镜上下做微小运动的微倾螺旋，所以称微倾式水准仪。

图2.3 微倾式水准仪

1—物镜；2—目镜；3—物镜对光螺旋；4—水准管；5—圆水准器；

6—脚螺旋；7—制动螺旋；8—微动螺旋；9—微倾螺旋；10—基座

1)望远镜

望远镜由物镜、目镜和十字丝分划板3个主要部分组成，它的主要作用是能使我们看清远处的目标，并提供一条水平视线。图2.4(a)为内对光望远镜构造图，图2.4(b)是望远镜的成像原理示意图。

观测目标通过物镜后，在镜筒内形成一个倒立的缩小实像，转动物镜对光螺旋，可以使倒像清晰地反映到十字丝平面上。目镜的作用是放大，人眼经目镜看到的是倒立的缩小实像和被同时放大的十字丝的虚像。十字丝的作用是提供照准目标的标准线。为了提高望远镜成像的质量，物镜、目镜以及对光透镜由多块透镜组合而成。放大的虚像与用眼睛直接看到目标大小的比值，称为望远镜放大率，它是鉴别望远镜质量的主要指标之一，反映了望远镜的鉴别能力。一般水准仪望远镜放大率为15~30倍，高精度的仪器达到50倍。

图2.4 对光望远镜

十字丝分划板是在玻璃片上刻线后，装在十字丝环上，用3个或4个可转动的螺丝固定在望远镜筒上，如图2.5所示。十字丝的上下两条短线称为视距丝，上面的短线称为上丝，下面的短线称为下丝。由上丝和下丝在标尺上的读数可求得仪器到标尺间的距离。十字丝横丝与竖丝的交点与物镜光心的连线称为视准轴。

为了控制望远镜的水平转动幅度，在水准仪上装有一套制动和微动螺旋。当拧紧制动螺旋时，望远镜就被固定，此时可转动微动螺旋，使望远镜在水平方向做微小转动来精确照准目标。当松动制动螺旋时，微动就失去作用。有些仪器是靠摩擦制动，没有制动螺旋而只有微动螺旋。

图2.5 十字丝分划板

图2.6 圆水准器

2)水准器

水准器是水准仪的重要部件，是用来指示视准轴处于水平位置，竖轴处于铅直位置的一种装置。水准器分为圆水准器和管水准器两种。

(1)圆水准器

圆水准器是一个玻璃圆盒，盒内装有酒精与乙醚的混合液，加热密封时留有气泡而成，如图2.6所示。

圆水准器内表面是圆球面，中央画一小圆，其圆心称为圆水准器的零点，过此零点的球面法线称为圆水准器轴。当气泡中心与零点重合时，即为气泡居中。此时，圆水准器轴线处于铅垂位置，也就是说水准仪竖轴处于铅垂位置，仪器达到水平状态。

在圆水准器通过零点的任意一个纵断面方向上，气泡中心偏离2 mm时，它所对的圆心角的大小就是圆水准器的分划值。圆水准器分划值一般表示为：

由式(2.7)可知，它和圆水准器顶部圆球面的半径有关，半径越大分划值越小，半径越小分划值越大。分划值小的圆水准器能使水准轴成竖直位置的精度较高。

图2.7 管水准器

(2)管水准器

管水准器简称为水准管，它是把玻璃管纵向内壁磨成曲率半径很大的圆弧面，管壁上刻有分划线，管内装有酒精与乙醚的混合液，加热密封时留有气泡而成，如图2.7所示。

水准管内壁圆弧中心为水准管零点，过零点与内壁圆弧相切的直线称为水准管轴。当气泡两端与零点对称时称为气泡居中，这时的水准管轴处于水平位置，也就是水准仪的视准轴处于水平位置。水准管气泡偏离零点2 mm弧长所对的圆心角“ ”称为水准管分划值。即：

式中 ρ——常数，ρ=206 265″；

R——水准管圆弧半径，mm。

一般用 表示水准管的灵敏度， 值越小，精度越高，DS3型水准仪的 值通常为。

(3)符合式水准器

符合式水准器是提高管水准器置平精度的一种装置。在水准管上方装有一组符合棱镜组，如图2.8所示。气泡两端的半像经过折射之后，反映在望远镜旁的符合气泡观测窗内。如果气泡的两个半像重合，就表示水准管气泡居中；反之就表示气泡没有居中，则应转动微倾螺旋，调节气泡居中。

由于符合式水准器通过符合棱镜组成的折光反射把气泡偏移零点的距离放大1倍，因此较小的偏移也能充分反映出来，从而提高了置平精度。

3)基座

基座主要是由轴座、脚螺旋和连接板构成。仪器上部通过轴插入座内，由基座支承整个仪器，仪器用连接螺旋与三脚架连接。

图2.8 符合式水准器

图2.9 水准尺

·2.2.2 水准尺·

水准尺是与水准仪配合进行水准测量的工具。常用的水准尺有直尺、折尺和塔尺，如图2.9所示。水准尺长为3 m。水准尺的刻划从零点开始，每隔1 cm涂有黑白或红白相间的分格，每分米处注有数字。分米准确位置有的以字底为准，有的以字顶为准，还有的把数字写在所在分米中间。

塔尺有5m和2m两种。塔尺是双面刻划，有正字或倒字。双面水准尺的分划，一面是黑白相间的称黑面尺(主尺)，黑面分划以尺底为零；另一面是红白相间的称红面尺(也叫辅助尺)，红面分划尺底为一常数：4 687 mm或4 787 mm。利用红黑面尺零点差可以对水准尺读数进行校核，以提高水准测量的精度。使用水准尺前一定要认清分划的特点。

尺垫是供支承水准尺和传递高程所用的工具，如图2.10所示，一般制成三角形或圆形的铁座，中央有一突起的半圆球体为置尺的转点，下有3个尖脚以便踏入土中使其稳定。尺子立在尺垫上，可防止尺子下沉。

图2.10 尺垫