第二节　水准测量仪器和工具的构造及使用

水准仪是能够为水准测量提供一条水平视线的仪器。

一、DS3型水准仪的构造

我国对水准仪按其精度从高到低分为DS05、DS1、DS3和DS10四个等级。“D”表示大地测量，“S”表示水准仪，05、1、3、10分别表示其精度。各等级水准仪的技术参数见本书附录1，本节主要介绍DS3型水准仪（图2-2）。

DS3型水准仪由望远镜、水准器及基座三个主要部分组成。仪器通过基座与三脚架连接，支承在三脚架上。基座上的三个脚螺旋与目镜左下方的圆水准器，用以粗略整平仪器。望远镜旁装有一个管水准器，转动望远镜微倾螺旋，可使望远镜做微小的俯仰运动，管水准器也随之俯仰，使管水准器的气泡居中，此时望远镜视线严格水平。水准仪在水平方向的转动，是由水平制动螺旋和微动螺旋控制的。下面对望远镜和水准器做较为详细的介绍。

（一）望远镜

望远镜由物镜、对光透镜、十字丝分划板和目镜等部分组成。如图2-3所示，根据几何光学原理可知，目标经过物镜及对光透镜的作用，在十字丝分划板附近成一倒立实像，由于目标离望远镜的远近不同，转动对光螺旋使对光透镜在镜筒内前后移动，可使其实像恰好落在十字丝平面上，再通过目镜将倒立的实像和十字丝同时放大，这时倒立的实像成为倒立而放大的虚像。其放大的虚像与用眼睛直接看到目标大小的比值，即为望远镜的放大率V。国产DS3型水准仪望远镜的放大率一般约为30倍。

十字丝是用以瞄准目标和读数的，其形式一般如图2-4所示。其中十字丝的交点与物镜光心的连线，称为望远镜的视准轴（CC），它是用以瞄准和读数的视线。因此，望远镜的作用一是提供一条瞄准目标的视线，二是将远处的目标放大，提高瞄准和读数的精度。而与十字线横丝等距平行的两条短丝称为视距丝，可用其测定距离。

上述望远镜是利用对光凹透镜的移动来对光的，称为内对光式望远镜；另有一种老式的望远镜是借助物镜对光时，使镜筒伸长或缩短成像，称为外对光式望远镜。外对光式望远镜密封性较差，灰尘湿气易进入镜筒内，而内对光式望远镜恰好克服了这些缺点，所以目前测量仪器大多采用内对光式望远镜。

（二）水准器

水准器是用以整平仪器的装置，分为管水准器和圆水准器两种。

1.管水准器

管水准器亦称水准管，是用一个内表面磨成圆弧的玻璃管制成（图2-5），一般规定以圆弧2mm长度所对圆心角，R为曲率半径，ρ为1弧度的秒数，ρ″＝206265）表示水准管的分划值。分划值越小，灵敏度越高，DS3型水准仪的水准管分划值一般为τ＝20″/2mm。水准管内盛有酒精和乙醚的混合液，仅留一个气泡。管内圆弧中点处的水平切线，称为水准管轴，用LL表示。当气泡两端与圆弧中点对称时，称为气泡居中，即表示水准管轴处于水平位置。从图2-2（b）可知，水准仪上的水准管是与望远镜平行连接在一起的，当水准管气泡居中，视线也就水平了。因此水准管和望远镜是水准仪的主要部件，水准管轴与视准轴互相平行是水准仪构造中的主要条件。

为了提高水准管气泡居中的精度，目前生产的水准仪，一般在水准管上方设置一组棱镜，利用棱镜的折光作用，使气泡两端的像反映在直角棱镜上，如图2-6（a）所示。从望远镜旁的气泡观察窗中可看到气泡两端的影像，当两半个气泡的像错开，表明气泡未居中，如图2-6（b）所示。当两半个气泡像吻合，则表示气泡居中，如图2-6（c）所示。这种具有棱镜装置的水准管称为符合水准器，它可以提高精平精度1倍以上。

2.圆水准器

圆水准器如图2-7所示，它是用一个玻璃圆盒制成，装在金属外壳内。玻璃的内表面磨成球面，中央刻有一小圆圈，圆圈中点与球心的连线叫做圆水准器轴（L′L′）。当气泡位于小圆圈中央时，圆水准管轴处于铅垂位置。普通水准仪的圆水准器分划值一般为8′/2mm。圆水准器安装在托板上，其轴线与仪器的竖轴互相平行，所以当圆水准器气泡居中时，表示仪器的竖轴已基本处于铅垂位置。由于圆水准器的精度较低，它主要用于水准仪的粗略整平。

综上所述，水准仪在设计构造时必须满足L′L′∥VV、十字丝横丝⊥VV和LL∥CC（主要条件），才能保证提供一条水平视线。

二、水准尺和尺垫

水准尺是水准测量中的重要工具，多用干燥而良好的木材制成，也有铟钢制成的铟钢尺。尺的形式有直尺、折尺和塔尺（图2-8）。水准测量一般使用直尺，只有精度要求不高时才使用折尺或塔尺。目前常用的水准尺以3m的直尺较为多见，一面为黑白分划，另一面为红白分划，俗称黑红两面水准尺。1cm分划，10cm注记，黑面底端以零起算，而红面底端分别以4.687m和4.787m起算，这种红面起点不同注记的两根尺子在水准测量时配对使用。

尺垫又称尺台，其形式有三角形、圆形等。测量时为了防止尺子下沉，要将尺垫放在地上踏稳，然后把水准尺竖立在尺垫的半圆球顶上（图2-8）。

三、水准仪的安置和使用

（一）安置与粗平

选好测站，打开三脚架，将三脚架插入土中，在光滑地面使脚架不致打滑，并使架头大致水平。利用连接螺旋将水准仪与三脚架连接，然后旋转脚螺旋使圆水准器的气泡居中，其方法如图2-9（a）所示，气泡不在圆水准器的中心而在1点位置，这表明脚螺旋A侧偏高，因为气泡是随着左手拇指转动的方向而移动，此时可用双手按箭头所指的方向对向旋转脚螺旋A和B，即降低脚螺旋A，升高脚螺旋B，气泡便向脚螺旋B方向移动，移动到2点位置时为止。再旋转脚螺旋C，如图2-9（b）所示，使气泡从2点移到圆水准器的中心，这时仪器的竖轴大致竖直，亦即视线大致水平。

（二）瞄准

当仪器粗略整平后，松开望远镜的制动螺旋，利用望远镜筒上的缺口和准星概略地瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。然后转动目镜调节螺旋，使十字丝成像清晰，再转动物镜对光螺旋，使水准尺的分划成像清晰，对光工作完成。这时如发现十字丝纵丝偏离水准尺，则可利用微动螺旋使十字丝纵丝对准水准尺（图2-10）。

（三）消除视差

在读数前，如果眼睛在目镜端上下晃动，则十字丝交点在水准尺上的读数也随之变动，这种现象称为十字丝视差。产生十字丝视差的原因是由于目镜调焦不仔细或物镜调镜不仔细形成的，有时两者同时存在。它对读数影响较大，必须予以消除。消除方法是转动目镜调节螺旋使十字丝成像清晰，再转动物镜对光螺旋使尺像清晰，而且要反复调节上述两螺旋，直至十字丝和水准尺成像均清晰，眼睛上下晃动时，十字丝横丝所截取的读数不变为止。

（四）精平和读数

转动微倾螺旋使水准管的气泡像吻合，如图2-6（c），其左半像的上下移动与右手拇指转动螺旋的方向一致。然后立即利用十字丝横丝读取尺上读数。因为水准仪的望远镜一般是倒像，所以水准尺倒写的数字从望远镜中看到的是正写的数字，同时看到尺上刻划的注记是由上向下递增的，因此，读数应由上向下读，即由小到大，在图2-10中，从望远镜中读得的数为1.948m。