3.2 低端微倾式光学水准仪的构造特征
光学水准仪不需要供电和能源，是一种不依赖外来能源的、绿色化的、可靠度高的水准仪，但由于其不符合信息化时代的要求将逐渐被电子水准仪所取代。电子水准仪需要依赖外来能源，一旦失去了电能供应马上瘫痪。因此，光学水准仪有电子水准仪不具备的优势。经典的国产普通S3光学水准仪的构造如图3.3所示。水准仪主要由照准部和基座两部分组成。基座的作用是置平仪器，它支承仪器的上部并能使仪器的上部横向转动，仪器可借助一个中心连接螺旋通过基座底板上的中心螺孔将基座与三脚架连接在一起。照准部上安装有望远镜和水准器。望远镜的作用是提供视线以便读出远处水准尺上的读数，望远镜提供的一条瞄准目标的视线即十字丝（图3.4），十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴，也就是用以瞄准和读数的视线，视线位置为十字丝横丝与竖丝的交点位置，该位置即水准尺的读数位置，亦即式（3.1）中的a或b位置，通常人们习惯用横丝或楔形丝读取a或b的位置。望远镜可将远处的目标放大，望远镜主要有物镜、目镜、调焦透镜和十字丝分划板组成。十字丝分划板是刻在玻璃片上的一组十字丝，被安装在望远镜筒内靠近目镜一端的焦平面位置。离望远镜不同远近的目标需借助调焦螺旋的转动使成像清晰。水准器是衡量水平度的器件，有管水准器和圆水准器两种。水准器的作用是指示仪器或视线的铅直位置与水平位置。基座上有3个脚螺旋，调节脚螺旋可使圆水准器的气泡移至中央以使仪器粗略水平。望远镜、圆水准器、仪器竖轴联结一体，竖轴插入基座轴套内，这样望远镜和圆水准器就可在基座上绕竖轴旋转。水平（照准部）制动螺旋和水平（照准部）微动螺旋用来控制照准部（连带望远镜）在水平方向的转动，水平制动螺旋松开时照准部能自由旋转，旋紧时照准部则固定不动。旋转水平微动螺旋可使照准部在水平方向作缓慢的转动，通常只在水平制动螺旋旋紧时水平微动螺旋才能起作用，水平微动螺旋有一个移动范围，水平微动螺旋应轻拧，拧不动时应反扭以免损坏仪器。望远镜旁装有水准管（管水准器），转动望远镜微倾螺旋可使望远镜连同管水准器作俯仰（微量倾斜），从而使视线精确水平，只有当管水准器中气泡居中时望远镜视线才水平，此时的标尺读数才是式（3.1）中的a或b，管水准器中气泡居中通过抛物线拼合来指引，抛物线拼合借助转动微倾螺旋来实现（图3.5），抛物线拼合情况可通过抛物线观察孔观察。微倾螺旋也有一个移动范围，微倾螺旋应轻拧、缓慢地拧，拧不动时应反扭以免损坏仪器。只有圆水准器气泡居中后才能实现抛物线的拼合，圆水准器气泡不居中则抛物线无法拼合。转动微倾螺旋拼合抛物线时应先从图3.3（a）显示的那个侧面一边转动微倾螺旋，一边观察水准管中气泡的移动情况，当气泡居中后再将眼睛移动到抛物线观察孔的位置观察抛物线，即可看到如图3.5（a）所示图像，然后屏住呼吸轻轻、缓慢地转动微倾螺旋使抛物线像图3.5（b）一样拼合成功，拼合成功后静候3s，若抛物线位置不变即可对标尺进行读数，此时望远镜中丝位置的标尺读数即为式（3.1）中的a或b，若静候3s后抛物线位置改变，则应重新调整。管水准器的抛物线是借助一套气泡成像棱镜组实现的，这种水准器也称符合水准器。
图3.3 经典的国产普通S3光学水准仪
（a）斜正侧面；（b）斜背侧面
图3.4 常见水准仪上的十字丝图形
（a）低精度；（b）中高精度
图3.5 符合水准器（抛物线）影像
（a）未拼合；（b）拼合
望远镜的大头位置为物镜，小头位置为目镜，物镜朝向观测目标的方向，目镜是观察者的眼睛观察位置。望远镜操作时应首先将盖在物镜上的保护盖取下来，否则望远镜里漆黑、什么也看不见。望远镜操作的第二步动作是旋转目镜进行屈光度调节，屈光度调节的目的是使观察者看清楚十字丝，所谓屈光度调节就是给观测者戴上眼镜，测量仪器望远镜目镜的屈光度调节范围为-5个屈光度到+5个屈光度，一个屈光度相当于眼镜的100度，-5个屈光度相当于近视镜500度，+5个屈光度相当于老花镜500度，屈光度调节具有人格化特征，张三调的屈光度感觉很清晰，李四却可能看不清，因为张三、李四的视力不一样。屈光度调节方法是将望远镜对准远方明亮的背景，通过望远镜观察转动目镜螺旋使分划板十字丝最黑、最清晰，观察目镜时眼睛应放松以免产生视差和眼睛疲劳。望远镜操作的第三步动作是目标照准，方法是松开水平制动螺旋用粗瞄准器对准目标，即照门、准星、目标在一个铅垂面上，对准目标后略微扭紧水平制动螺旋，调整望远镜调焦螺旋直至看清目标，微调水平微动螺旋使十字丝竖丝精确照准目标。望远镜操作的第四步动作是观察视差与消除视差，所谓视差是指目标没有成像在十字丝板平面上，将眼睛左、右、上、下轻微移动观察，若目标与十字丝两影像间有相对移位现象则说明有视差，有视差时应再微调望远镜调焦螺旋，直至两影像清晰且相对静止时为止，若微调望远镜调焦螺旋无效，则说明屈光度调节工作没做好而应旋转目镜螺旋，使分划板十字丝最黑、最清晰后再次微调望远镜调焦螺旋，还不行则重复前述动作继续旋转目镜、微调望远镜调焦螺旋，继续不行就继续重复，直到目标与十字丝两影像间相对静止时为止。视差未调整好会歪曲目标与十字丝中心的关系，从而导致观测误差。
以上望远镜操作方法适用于所有测量仪器，如水准仪、经纬仪、电子全站仪、电子经纬仪、陀螺经纬仪、罗盘仪等。测量仪器望远镜可清楚分辨100m远处1cm的物体。
图3.6 圆水准器
水准仪的管水准管 （又称水准管）是用来指示望远镜视线是否水平的，圆水准器则用来指示照准部竖轴是否铅垂的。圆水准器内有一个小圆气泡 （图3.6），当小圆气泡中心与小圈的中心重合时圆水准器轴位于铅垂位置 （圆水准器轴为过小圈中心的球面法线L1—L1），水准仪小圆气泡的移动通过转动基座的3个脚螺旋实现。脚螺旋同样有一个移动范围，脚螺旋应轻拧，拧不动时应反扭以免损坏仪器，应注意3个脚螺旋的协调问题，若一个脚螺旋升到顶后仍不解决问题则应将其略降一点后将另外两个脚螺旋大幅度下降；若一个脚螺旋降到顶后仍不解决问题则应将其略升一点后将另外两个脚螺旋大幅度提升。以上脚螺旋的协调方法适用于使用的带脚螺旋的测量仪器，如水准仪、经纬仪、电子全站仪、电子经纬仪、陀螺经纬仪等。