2.2 水准测量的仪器及工具
2.2.1 水准仪的构造
水准测量所使用的仪器为水准仪，其主要作用是提供一条水平视线，照准水准尺并读取尺上的读数。通过调整水准仪上的微倾螺旋使水准管气泡居中以获得水平视线的水准仪称为微倾式水准仪，通过补偿器获得水平视线的水准仪称为自动安平水准仪。目前常见的是自动安平水准仪。
我国的水准仪系列一般有DS05、DS1、DS3和DS10几个等级，其中“D”、“S”分别
是“大地测量”、“水准仪”汉语拼音的首字母，下标数字表示使用该等级的水准仪进行施测，每千米往返高差中数的中误差，以mm计。DS3属于常用的一般准仪，本教材以DS3为介绍对象，掌握水准仪的结构和使用方法。
图22 DS3微倾式水准仪
1—物镜；2—物镜调焦螺旋；3—微动螺旋；4—制动螺旋；5—微倾螺旋；6—脚螺旋；
7—水准管气泡观察窗；8—水准管；9—圆水准器；10—圆水准器校正螺旋；
11—目镜；12—准星；13—照门；14—基座
DS3微倾式水准仪如图22所示，它主要由三个部分组成：望远镜———用来提供水平视线，读取水准尺上的读数；水准器———用于指示视线是否处于水平状态；基座———用于置平仪器并将仪器与脚架相连，它支承仪器的上部并保证其在水平方向转动。基座上有三个脚螺旋，调节脚螺旋可使圆水准器的气泡居中，使仪器粗略整平。望远镜和水准管与仪器的竖轴连接成一体，竖轴插入基座的轴套内，望远镜和管水准器在基座上可绕竖轴旋转。制动螺旋和微动螺旋用来控制望远镜在水平方向的转动。制动螺旋松开时，望远镜能绕竖轴自由旋转，使得目标位于视野内；制动螺旋拧紧时，望远镜只能通过微动螺旋来使其作缓慢、小幅度的转动，用以精确瞄准目标。微倾螺旋可使望远镜连同管水准器作微量的上下倾斜，从而使视线精确水平。
2.2.1.1 望远镜
望远镜是由物镜、目镜、调焦透镜、十字丝分划板组成（图23）。十字丝分划板安装在望远镜内部靠近目镜的一端，是刻在玻璃片上的十字丝，用于瞄准目标。十字丝的图像如图24所示，竖直的那一根丝，称为竖丝；水平中间最长的那根丝称为中丝，上下的两根短丝，分别称为上丝、下丝。水准测量中用中丝读取水准尺上的读数来计算高差。
图23 望远镜的结构
1—物镜；2—目镜；3—调焦透镜；4—十字丝分划板；
5—目镜调焦螺旋；6—目镜调焦螺旋
图24 十字丝图像
十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴，也称视线，是水准仪的主要轴线之一，通常用CC表示。测量过程中，望远镜内必须同时能看到清晰的物像和十字丝。目镜端设置了调焦螺旋，通过调节目镜调焦螺旋可以将十字丝调至清晰状态。观测不同距离的目标，可旋转物镜调焦螺旋，从而将目标的影像调至清晰状态。
2.2.1.2 水准器
水准器是用来显示仪器是否置平的一种设备，是测量仪器上的重要部件。水准器分为管水准器和圆水准器两种。
（1）管水准器。又称为水准管，是一个封闭的玻璃管，按照不同精度要求将管的内壁纵向磨成不同半径的圆弧形。管内加入酒精、乙醚或两者混合液体，加热液体并融封水准管两端，液体冷却后自然形成气泡。如图25所示，水准管表面两端有间隔为2mm的分划线，分划的中点称水准管的零点。过零点与管内壁在纵向相切的直线称水准管轴，通常用LL表示。当气泡的中心点与零点重合时，称气泡居中，气泡居中时水准管轴处于水平状态，视线水平。
水准管上相邻分划线间的一格所对应的圆心角称为水准管的分划值τ，水准管的分划值越小，视线置平的精度越高。
τ=2Rρ″
（2 4）
式中 τ———水准管表面相邻分划线所对的圆心角；
ρ″———以秒为单位计的弧度，取206265″；
R———水准管的内圆弧半径，mm。
为了提高气泡居中的精度，在水准管的上面安装一套棱镜组（图26），使气泡两端的影像反射到一起。当气泡居中时，两端气泡的影像就能附合在一起，如图2 6（a）所示。故这种水准器称为附合水准器，是微倾式水准仪上普遍采用的水准器。
图2.5 水准管与水准管分划值
图2.6 水准管附合成像系统
图27 圆水准器
（2）圆水准器。是一个封闭的圆形玻璃容器，顶盖的内表面为一凸球面，容器内盛乙醚类液体，留有一小圆气泡（图27）。容器顶盖中央刻有一小圈，小圈的中心是圆水准器的零点。通过零点的球面法线是圆水准器的轴，当圆水准器的气泡居中时，圆水准器的轴线位于铅垂位置。圆水准器的内壁半径远小于水准管的内壁半径，因此圆水准器只能用于粗略整平。
自动安平水准仪的结构特点是采用补偿器取代了附合水准器和微倾螺旋，使用上通过圆水准器来保证水准仪粗略水平，再通过补偿器来保证视线处于精确水平状态。因此自动安平水准仪上只有圆水准器，没有管水准器及相应的附合棱镜系统，使用时只需要将圆水准器内的气泡调至中央小圈内，即获得精确的水平视线。
自动安平水准仪的型号是在DS后面加上Z，即DSZ05、DSZ1、DSZ3和DSZ10几个等
级。图28所示是天津森氏公司产DSC232自动安平水准仪。
图28 自动安平水准仪
1—物镜；2—目镜；3—目镜调焦螺旋；4—瞄准管；5—圆水准器；6—水平微动螺旋；
7—脚螺旋；8—基座；9—物镜调焦螺旋；10—自动安平补偿器检验钮
2.2.1.3 基座
水准仪的基座主要由轴承、脚螺旋、底板和三角压板组成。其作用是支承仪器的上部
并与三脚架连接，通过脚螺旋并配合圆水准器，使仪器大致水平。2.2.2 水准尺和尺垫
2.2.2.1 水准尺
常用的水准尺由铝合金或木材制成，有板尺和塔尺两种，长度规格主要有3m和5m两种。铝合金塔尺全长5m，多数分为4节，可以伸缩，携带方便，但接头处误差大，而且使用过程中接头处容易滑落，导致测量读数错误。木质水准尺采用收缩性小、不易弯曲变形且质地坚硬的木料经专门干燥处理后制成。
常见的板尺是双面刻划的，通过双面读数来检验读数并能提高测量结果的精度。常用的木质板尺为3m，表面从下往上每隔1cm涂有黑白或红白相间的分格，每1dm注记一数字，在尺的侧面安有圆水准器，用以保证水准测量过程中所立水准尺竖直。尺面分划一面为黑白相间，叫黑面；另一面为红白相间，叫红面。黑面底部注记均是从零开始，而红面底部注记的起始数一般为4687mm或4787mm。双面水准尺必须成对使用，即一对水准尺中一根红面起始读数为4687mm，另一根为4787mm。水准仪瞄准一根水准尺，分别读取黑面和红面读数，理论上两读数相差一个常数，即红面的起始读数，称作为尺常数，常用K来表示。
图29 尺垫
2.2.2.2 尺垫
尺垫的形状为三角形（图29），一般用生铁铸成，中央顶部有一半球形凸起，下有三个足尖。其作用是使每次水准尺有一个稳定且唯一的立尺点，防止水准尺下沉或位置发生变化，使用时应在转点处先放置尺垫后立尺（注意已知点和待定点上一定不能放尺垫），其使用方法是将尺垫的三足轻踩入土中，然后将水准尺轻轻放在中央凸起处并使水准尺竖直。2.2.3 水准仪的使用
微倾式水准仪的使用包括安置、粗略整平、瞄准目标、精确水平、读数这几个步骤，自动安平水准仪没有精确整平这一步。
2.2.3.1 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定，对每根架腿稍微用力踩入地面。在斜坡上架设应使三脚架的两架腿在坡下，一架腿在坡上。取水准仪时必须握住仪器的坚固部位，然后将中心连接螺杆对准水准仪基座底板上的连接孔并旋紧，确认牢固地连接在三脚架上后才可松手。
2.2.3.2 粗略整平
仪器的粗略整平是用脚螺旋使圆水准器气泡居中。先用两个脚螺旋使气泡移到通过圆水准器零点并垂直于这两个脚螺旋连线的方向上。如图2 10（a）中气泡自1点移到图中的线上，即图2 10（b）中的2位置，如此可使仪器在这两个脚螺旋连线的方向处于水平状态。然后用第三个脚螺旋使气泡居中，使原两个脚螺旋连线的垂线方向也处于水平位置，从而使整个仪器置平。如气泡仍有偏离可重复进行。应当注意的是操作时先旋转其中两个脚螺旋，然后只旋转第三个脚螺旋。至于如何判定脚螺旋的旋转方向，有如下两
规律：
（1）基座的圆水准器气泡所在那一侧位置偏高。
（2）从上往下看，脚螺旋顺时针旋转，使基座的该脚螺旋所在一侧升高；脚螺旋逆时针旋转，使基座的该脚螺旋所在一侧降低。
2.2.3.3 瞄准目标
利用望远镜的照门与准星从外部瞄准水准尺，旋紧水平制动螺旋，用微动螺旋使十字丝竖丝照准水准尺，调节目镜使十字丝清晰，最后旋转调焦螺旋使尺像清晰。照准目标时必须要消除视差，它是水准尺的成像没有完全落在十字丝分划板上造成的（图211）。观测时眼睛在目镜处稍作上下移动，若发现目标影像与十字丝存在相互错动的现象，即是视差。视差的存在会造成读数不准确。消除视差的方法是先调节目镜调焦螺旋使十字丝清晰，再调节物镜调焦螺旋使尺像清晰，如此反复操作，直至眼睛在目镜处上下稍微移动，读数没有变化为止。
图210 水准仪粗略整平
图211 视差现象
2.2.3.4 精确水平
由于圆水准器的灵敏度较低，所以用圆水准器只能使水准仪粗略整平。微倾式水准仪在每次读数前还必须用微倾螺旋使水准管气泡影像附合，使视线精确整平。由于微倾螺旋旋转时，会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，水准管气泡一般不再附合。所以望远镜每次变动方向重新瞄准目标，在读数前都需要用微倾螺旋重新使气泡附合。
注意：自动安平水准仪在圆水准器水平保证了仪器处于粗略水平的状况下，通过补偿器来获得精确水平视线，因此没有精确水平这一操作步骤。但这个前提是补偿器要能正常工作，可以通过自动安平补偿器检验钮进行检查。按动检验钮，望远镜视野中的水准尺影像随之产生上下摆动，并很快静止，说明补偿器能正常工作，可以进行施测。
2.2.3.5 读数
当望远镜精确瞄准水准尺、实现精确整平后，即可读数。普通水准测量，通常使用的是板尺或塔尺，每个读数应有四位数、不带小数点、所读数单位是mm，从尺上直接读出米、分米和厘米数，然后估读出毫米数，零不可省略。如图212中左图中丝读数为
1756，右图中丝读数为6649。
图212 水准尺读数