第一节 水准仪及其使用

一、水准仪概述

水准仪是水准测量时用于提供水平视线的仪器，其作用是照准离水准仪一定距离的水准尺并读取尺上的读数，求出高差。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，其中 “D”为大地测量仪器的总代号，“S”为“水准仪”汉语拼音的第一个字母，下标是指水准仪所能达到的每公里往返测高差中数中误差（mm）。DS05、DS1为精密水准仪，主要用于国家一等、二等水准测量和精密工程测量；DS3、DS10为普通水准仪，主要用于国家三等、四等水准测量和常规工程建设测量。目前通用的水准仪从构造上可分为两大类：第一类是利用水准管来获得水平视线的水准管水准仪，其主要形式称“微倾式水准仪”；另一类是利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”。此外，还有电子水准仪、激光水准仪等。

二、DS3水准仪及其构造

（一）DS3型微倾式水准仪构造

DS3型微倾式水准仪主要由望远镜、水准器和基座三个主要部分组成。仪器通过基座与三脚架连接，基座下三个脚螺旋用于仪器的粗略整平。望远镜一侧装有一个管水准器，当转动微倾螺旋可使望远镜连同管水准器作俯仰微量的倾斜，从而可使视线精确整平。因此，这种水准仪称为微倾式水准仪。仪器在水平方向的转动，由水平制动螺旋和水平微动螺旋控制。水准仪各部分的名称如图2-1所示。

1.望远镜

望远镜的基本构造如图2 2所示，它由物镜、调焦透镜、十字丝分划板和目镜组成。物镜由一组透镜组成，相当于一个凸透镜。根据几何光学原理，被观测的目标经过物镜和调焦透镜后，成一个倒立实像于十字丝附近。由于被观测的目标离望远镜的距离不同，可转动对光螺旋使对光透镜在镜筒内前后移动，使目标的实像能清晰地成像于十字丝分划板平面上，再经过目镜的作用，使倒立的实像和十字丝同时放大而变成倒立放大的虚像。放大的虚像与眼睛直接看到的目标大小的比值，即为望远镜的放大率。DS3型水准仪的望远镜放大率约为30倍。

为了用望远镜精确照准目标进行读数，在物镜筒内光阑处装有十字丝分划板，其类型多样，如图2-3所示。十字丝中心与物镜光心的连线称为望远镜的视准轴，也就是视线。视准轴是水准仪的主要轴线之一。图中相互正交的两根长丝称为十字丝，其中垂直的一根称为竖丝，水平的一根称为横丝或中丝，横丝的上、下方两根短丝是用于测量距离的，称为视距丝。

2.水准器

水准器是水准仪的重要组成部分，它用于整平仪器，分为圆水准器和管水准器。圆水准器如图2 4所示，用一个玻璃圆盒制成，装在金属外壳内，所以也称为圆盒水准器。玻璃的内表面磨成球面，中央刻一个小圆圈或两个同心圆，圆圈中点和球心的连线称为圆水准轴。当气泡位于圆圈中央时，圆水准轴处于铅垂状态。普通水准仪圆水准器分划值一般是8′/2mm。由于圆水准器的精度较低，所以它主要用于仪器的粗略整平。

管水准器也称符合水准器或水准管，如图2-5所示。它是用一个内表面磨成圆弧的玻璃管制成的，玻璃管内注满酒精和乙醚的混合物，通过加热和冷却等处理后留下一个小气泡，当气泡与圆弧中点对称时，称为气泡居中。水准管圆弧的中心点O，称为水准器的零点，过零点和圆弧相切的直线，称为水准器的水准轴。水准管的中央部分刻有间距为2mm的与零点左右对称的分划线，2mm分划线所对的圆心角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20″/2mm。目前生产的水准仪都在水准管上方设置一组棱镜，通过内部的折光作用，可以从望远镜旁边的小孔中看到气泡两端的影像，并根据影像的符合情况判断仪器是否处于水平状态，如果两侧的半抛物线重合为一条完整的抛物线，说明气泡居中，否则需要调节，故这种水准器称为符合水准器。图2-6是微倾式水准仪上普遍采用的水准器。

3.基座

基座由轴座、脚螺旋和连接板组成。基座是仪器与三脚架连接的重要部件。

水准仪上除以上三大件外，还有一套操作螺旋：制动螺旋，其作用是限制望远镜在水平方向的转动；微动螺旋，在望远镜制动后，利用它使望远镜做轻微的转动，以便精确瞄准水准尺；对光螺旋，可以使望远镜内的对光透镜做前后移动，从而看清楚目标；目镜调焦螺旋，通过调节来看清楚十字丝；微倾螺旋，通过调节使管水准器的气泡居中，达到精确整平仪器的目的；三个脚螺旋，用来粗略整平仪器。

（二）水准尺及其读数

水准尺是水准测量时用以读数的重要工具，与DS3型水准仪配套使用的水准尺常用干燥且良好的木材、玻璃钢或铝合金制成。根据它们的构造，常用的水准尺可分为直尺和塔尺两种，长度为2～5m。塔尺能伸缩，方便携带，但接合处容易产生误差，如图2-7(a)所示，直尺比较坚固可靠。水准尺尺面绘有1cm或5mm黑白相间的分格，米和分米处注有数字，尺底为0，如图2-7(b)所示。以前用的水准仪大多为倒像望远镜，为了便于读数，标注的数字常倒写。

一般用于三、四等水准测量和图根水准测量的水准尺是长度整3m的双面（黑红面）木质标尺，黑面为黑白相间的分格，红面为红白相间的分格，分格值均为1cm。尺面上每5个分格组合在一起，每分米处注记倒写的阿拉伯数字，读数视场中即呈现正像数字，并由上往下逐渐增大，所以读数时应由上往下读。通常两根尺子组成一对进行水准测量。两直尺的黑面起点读数均为0mm，红面起点则分别为4687mm和4787mm。目前大量使用的自动安平水准仪都是正像水准仪，故标尺每分米处注记正写的阿拉伯数字，读数视场中呈现的也是正像数字，由下往上逐渐增大，读数时应由下往上读。

（三）尺垫及其作用

尺垫是用于转点上的一种工具，用钢板或铸铁制成(图2-8)。使用时把三个尖脚踩入土中，把水准尺立在突出的圆顶上。尺垫可使转点稳固，防止下沉。

三、DS3型水准仪的使用

水准仪的使用有以下几个作业程序：安置、粗平、瞄准、精平和读数。

（一）安置水准仪

首先打开三脚架，安置三脚架要求高度适当、架头大致水平并牢固稳妥，在山坡上应使三脚架的两脚在坡下、一脚在坡上。然后把水准仪用中心连接螺旋连接到三脚架上。取水准仪时必须握住仪器的坚固部位，并确认已牢固地连接在三脚架上之后才可放手。

（二）粗略整平

利用水准仪的三个脚螺旋使圆水准气泡居中，整平方法：①先用双手按图2-9（a）箭头所指方向同时转动A、B两个脚螺旋，使气泡由1移到2位置；②按图2-9（b）旋转第三个脚螺旋C，使气泡居中，此时水准仪已粗略整平。如仍有偏差可重复进行。

（三）瞄准标尺

（1）调节目镜。让望远镜对向明亮处，转动目镜调焦螺旋，使十字丝成像清晰。

（2）大致瞄准。先松开制动螺旋，利用望远镜上面的缺口和准星大致瞄准目标，然后拧紧制动螺旋。

（3）对光。调节对光螺旋，看清楚目标。

（4）精确瞄准。调节水平微动螺旋，直到标尺移动到十字丝的中间。

（5）消除视差。照准标尺读数时，若对光不准，尺像没有落在十字丝分划板上，这时眼睛上下移动，读数随之变化，这种现象称为视差。这时要旋转调焦螺旋，仔细观察，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，此时视差消除。

（四）视线的精确整平

目标瞄准后，调节微倾螺旋使管水准器气泡居中即符合气泡的两弧重合，这时视线就处于精确水平状态。需注意的是：由于微倾螺旋旋转时，有可能改变望远镜和竖轴的关系，当望远镜由一个方向转变到另一个方向时，水准管气泡不再符合。所以望远镜每次变动方向后，即每次读数前，都必须用微倾螺旋重新使气泡居中。

（五）读数

用十字丝中间的横丝读取水准尺的读数。从尺上可直接读出米、分米和厘米数，并估读出毫米数，所以每个读数必须有四位数。如果某一位数是零，也必须读出并记录，不可省略。

由于望远镜一般都为倒像，所以从望远镜内读数时应由上向下读，即由小数向大数读。如图2-10所示，其读数为1.847m,读数前应先认清水准尺的分划特点，特别应注意与注字相对应的分米分划线的位置。为了保证得出正确的水平视线读数，在读数前和读数后都应该检查水准管气泡是否符合。

四、DS3型水准仪的检验与校正

根据水准测量的原理，对水准仪各主要轴线之间的关系提出了一定的要求，只有这样，才能保证测量的正确。虽然仪器在出厂之前，对各轴线之间的几何关系是经过检测的，但由于运输过程的震动和长期使用等因素的影响，其几何关系可能会发生变化，因此在仪器使用之前及使用中有必要进行检验和校正。检验的目的是判断仪器的几何轴线关系是否满足要求，校正则是对不满足条件的轴线进行修正。

（一）水准仪的轴线及各轴线应满足的几何条件

微倾式水准仪的主要轴线如图2-11所示，它们之间应满足如下几何条件：

（1）圆水准器轴应平行于仪器的竖轴（L0L0∥VV）。

（2）十字丝的横丝应垂直于仪器的竖轴。

（3）水准管轴应平行于视准轴（LL∥CC）。

（二）水准仪检验、校正的项目与方法

1.圆水准器轴（L0L0）与竖轴（VV）垂直的检验和校正

（1）检验。调节脚螺旋使圆水准器气泡居中，然后将仪器上部旋转180°，若气泡仍居中，则表示圆水准器轴已平行于竖轴，若气泡偏离中心则需进行校正。

（2）校正。用脚螺旋使气泡向中央方向移动偏离量的一半，然后拨圆水准器的校正螺旋使气泡居中，如图2-12所示。由于一次拨动不易使圆水准器校正得很完善，所以需重复上述的检验和校正，使仪器上部旋转到任何位置气泡都能居中为止。

2.十字丝横丝与竖轴（VV）垂直的检验和校正

（1）检验。先用横丝的一端照准一固定的目标或在水准尺上读一读数，然后用微动螺旋转动望远镜，用横丝的另一端观测同一目标或读数。如果目标仍在横丝上或水准尺上读数不变，如图2-13（a）所示，说明横丝已与竖轴垂直。若目标偏离了横丝或水准尺读数有变化，如图2-13（b）所示，则说明横丝与竖轴不垂直，应予以校正。

（2）校正。打开十字丝分划板的护罩，可见到3个或4个分划板的固定螺丝，如图2-14所示。松开这些固定螺丝，用手转动十字丝分划板座，反复试验使横丝的两端都能与目标重合或使横丝两端所得水准尺读数相同，则校正完成。最后旋紧所有固定螺丝。

3.水准管轴（LL）与视准轴（CC）平行的检验和校正

（1）检验。在平坦地面选相距40～60m的A、B两点，在两点打入木桩或设置尺垫。水准仪首先置于离A、B等距的Ⅰ点，测得A、B两点上的读数a1和b1，则hⅠ=a1-b1，如图2-15（a）所示。这时可能是两种情况：第一种情况，视准轴与水准管轴平行，则hⅠ就是A、B两点之间的正确高差；第二种情况，视准轴与水准管轴不平行，但由于仪器到两点的距离相等，i角构成的误差对后视读数和前视读数的影响相同，它们的差值可以使误差抵消，因此，hⅠ也是A、B两点的正确高差。所以可以得出这样一个结论：只要把仪器安置在距离两点相等的地方，就可以测出正确的高差。

然后把水准仪移至距离B点很近的地方Ⅱ点，再次测A、B两点的高差，如图2-15（b）所示，仍把A作为后视点，故得高差hⅡ=a2-b2。如果hⅡ=hⅠ，说明在测站Ⅱ所得的高差也是正确的，这也说明在测站Ⅱ观测时视准轴是水平的，故水准管轴与视准轴是平行的，即i=0。如果hⅡ≠hⅠ，则说明存在i角的误差，由图2-15（b）可知

而

式中 Δ——仪器分别在Ⅱ和Ⅰ所测高差之差;

S——A、B两点间的距离。

对于一般水准测量，要求i角不大于20″，否则应进行校正。

（2）校正。为了使视准轴水平，用微倾螺旋使远点A的读数从a2改变到a′2（a′2=a2+hⅠ），用这样的方法来计算有一个假设，即由于在第二次观测时仪器与B点距离非常近，i角构成的误差对前视读数的影响也就非常小，可以对此非常小的误差忽略不计，这样在不影响结果的前提下可以简化计算。此时视准轴由倾斜位置改变到水平位置，但水准管也因微倾螺旋的转动随之变动，气泡由原来的符合变成不再符合，也就是说，此时水准管轴不是水平的。

如图2-16所示，用校正针拨动水准管一端的校正螺旋使气泡符合，使水准管轴也处于水平位置从而使水准管轴平行于视准轴。校正时先松动左右两校正螺旋，然后拨上下两校正螺旋使气泡符合。拨动上下校正螺旋时，应先松一个再紧另一个逐渐改正，当最后校正完毕时，所有校正螺旋都应适度旋紧。

（三）水准仪检验和校正的注意事项

（1）在校正时必须按照一定的顺序进行，即圆水准器、十字丝和水准管的顺序。

（2）在水准仪的三个几何条件中，第三个条件是主要条件，它对测量超限的影响也是最大的，因此，应该予以重点校正。

（3）在校正的过程中，这些条件不是通过一次校正就可以满足要求的，因此，应该细致、耐心地多做几次，直到满足条件为止。

五、其他水准仪简介

（一）自动安平水准仪

自动安平水准仪是一种不用水准管而能自动获得水平视线的水准仪。由于水准管水准仪在用微倾螺旋使气泡符合时要花一定的时间，水准管灵敏度越高，整平需要的时间越长。在松软的土地上安置水准仪时，还要随时注意气泡有无变动。而自动安平水准仪在用圆水准器使仪器粗略整平后，经过1～2s即可直接读取水平视线读数。当仪器有微小的倾斜变化时，补偿器能随时调整，始终给出正确的水平视线读数。因此，它具有观测速度快、精度高的优点，被广泛地应用在各种等级的水准测量中。

自动安平水准仪的使用方法较微倾式水准仪简便。首先也是用脚螺旋使圆水准器气泡居中，完成仪器的粗略整平。然后用望远镜照准水准尺，即可用十字丝横丝读取水准尺读数，所得的就是水平视线读数。由于补偿器有一定的工作范围，即能起到补偿作用的范围，所以使用自动安平水准仪时，要防止补偿器贴靠周围的部件而不处于自由悬挂状态。有的仪器在目镜旁有一按钮，它可以直接触动补偿器。读数前可轻按此按钮，以检查补偿器是否处于正常工作状态，也可以消除补偿器轻微的贴靠现象。如果每次触动按钮后，水准尺读数变动后又能恢复原有读数则表示工作正常。如果仪器上没有这种检查按钮则可用脚螺旋使仪器竖轴在视线方向稍作倾斜，若读数不变则表示补偿器工作正常。由于要确保补偿器处于工作范围内，使用自动安平水准仪时应十分注意圆水准器的气泡居中。

图2-17所示为自动安平水准器，图2-18所示为苏一光NAL124自动安平水准仪。

（二）电子水准仪

电子水准仪又称数字水准仪，它是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。它采用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。图2-19为美国天宝DINI 03电子水准仪。

目前,电子水准仪在照准标尺和调焦时仍需目视进行。人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器（又称探测器）上，即线阵CCD器件上，供电子读数。因此，如果使用传统水准标尺，电子水准仪又可以像普通自动安平水准仪一样使用。不过这时的测量精度低于电子测量的精度。电子水准仪与传统水准仪相比具有以下特点：

（1）读数客观。不存在误读、误记和人为读数误差、出错。

（2）精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经处理后取平均值得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件的影响。不熟练的作业人员也能进行高精度测量。

（3）速度快。由于省去了报数、记录、现场计算的时间，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。

（4）效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录、检核、处理，并能输入电子计算机进行后处理，可实现内外业一体化。