任务2.2　水准测量器具及使用

水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫等。

2.2.1　水准仪的构造

目前工程测量中常用的水准仪有微倾式水准仪、自动安平水准仪、精密水准仪和电子水准仪。国产微倾式水准仪的型号有DS05、DS1、DS3和DS10四个等级。其中，“D”“S”分别是“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音的第一个字母；数字是指各等级水准仪每千米往返测高差中数的中误差，以毫米（mm）为单位。工程建设中，使用最多的是DS3型普通水准仪。

图2.3为我国生产的DS3型微倾式水准仪，数字3表示用这种仪器进行水准测量时，每千米往返测高差中数的中误差为±3mm。水准仪主要由望远镜、水准器和基座三个部分组成。

2.2.1.1　望远镜

望远镜是用以照准目标和对水准尺进行读数的设备。它由物镜、调焦对光透镜、十字丝分划板及目镜等组成，如图2.4所示。镜筒外面装有准星，用来初步照准目标。目标通过物镜在望远镜内形成倒立的小物像（实像）；转动物镜对光螺旋，调焦对光透镜则随之前后移动，可使物像落到十字丝平面上。再经过目镜的放大作用，使物像和十字丝同时放大成虚像。放大后的虚像与眼睛直接看到的目标大小之比值，称为望远镜放大率，通常以υ表示。放大率是鉴别望远镜质量的主要指标。DS3型水准仪的望远镜放大率一般不低于28倍。

如图2.4所示，物镜光心与十字丝交点的连线CC称为视准轴。视准轴是水准仪在测量中用来读数的视线。

十字丝分划板形式较多，常见的几种形式如图2.5所示。一般是在玻璃平板上刻有相互垂直的纵横细线，称为横丝（或中丝）和纵丝（或竖丝）。与横丝平行而等距的上下两根短细线，称为视距丝，用于测量距离。调节目镜调焦螺旋，可使十字丝成像清晰。

2.2.1.2　水准器

水准仪上的水准器是利用液体受重力作用后气泡居于高处的特性，来判断望远镜的视准轴是否水平及仪器竖轴是否竖直的装置。水准器通常分为管水准器（简称水准管）和圆水准器两种。

1.水准管

（1）水准气泡、分划线及分划值。分划水准管是一个两端封闭的玻璃管［图2.6（a）］。管的内壁研磨成有一定半径的圆弧，管内装有黏滞性小而易流动的液体（酒精或乙醚），装满后加热使液体膨胀而排出一小部分，然后将两端封住，待冷却后管内便形成一个小空间，这个空间即水准气泡。由于气体比液体轻，因此，无论水准管处于水平或是倾斜位置，气泡总处于管内最高点。

水准管壁上刻有2mm间隔的分划线，用来判断气泡居中位置，如图2.6（b）所示。分划线的对称中心是水准管圆弧的中点，称为水准管的零点，如图2.6（a）中的O点。过零点与水准管圆弧相切的直线LL称为水准管轴。当气泡两端与零点对称，即气泡中点与水准管零点重合时称为气泡居中，这时水准管轴LL一定处于水平位置。

水准管上2mm间隔的弧长所对的圆心角称为水准管分划值，一般用τ表示，其值为

式中：τ为水准管分划值，（″）；R为水准管圆弧半径，mm；其他符号意义同前。

水准管分划值与圆弧半径成反比，半径越大，分划值越小，整平的精度越高，气泡移动也越灵活。因此，一般把水准气泡移动至最高点的能力，称为水准器的灵敏度。DS3型水准仪的水准管分划值一般为它的几何意义为当水准气泡移动2mm时，水准管轴倾斜的角度为20″。

（2）符合水准器。为了提高水准管气泡居中的精度，目前水准仪多采用符合水准器，如图2.7（a）所示。符合水准器就是在水准器上设置一组符合棱镜，当气泡两端的半边影像经过三次反射后，其影像反映在望远镜的符合水准器的放大镜内，其气泡不居中，气泡两半边影像错开，如图2.7（b）所示；当转动微倾螺旋使气泡两半边的影像吻合时，气泡完全居中，如图2.7（c）所示。

（3）水准管的安装与校正。制造水准仪时，使水准管轴平行于望远镜的视准轴。旋转微倾螺旋使水准管气泡居中时，水准管轴处于水平位置，从而使望远镜的视准轴也处于水平位置。

水准管一般装在圆柱形的、上面开有窗口的金属管内，用石膏固定。如图2.8所示，一端用球形支点A，另一端用四个校正螺丝将金属管连接在仪器上。用校正针拨动校正螺丝，可以使水准管相对于支点A做升降或左右移动，从而校正水准管轴平行于望远镜的视准轴。

2.圆水准器

圆水准器由玻璃圆柱管制成，其顶面内壁为磨成半径R的球面，中央刻有小圆圈，其圆心O为圆水准器的零点，过零点O的球面法线为圆水准器轴，如图2.9所示。当圆水准气泡居中时，圆水准器轴处于竖直位置；当气泡不居中，气泡偏移零点2mm时，轴线所倾斜的角度值，称为圆水准器的分划值，一般为8′～10′。圆水准器的分划值大于管水准器的分划值，它通常用于粗略整平仪器。

制造水准仪时，使圆水准器轴平行于仪器竖轴。旋转基座上的三个脚螺旋使圆水准气泡居中时，圆水准器轴处于竖直位置，从而使仪器竖轴也处于竖直位置。

2.2.1.3　基座

基座的作用是支承仪器的上部，用中心螺旋将基座连接到三脚架上。基座主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。

2.2.2　水准尺和尺垫

1.水准尺

水准尺一般用优质木材或玻璃钢制成，长度为2～5m。根据构造可以分为直尺、塔尺和折尺，如图2.10所示。其中，直尺又分为单面尺和双面尺两种。

铟钢尺通常是单面尺，一般长3m或2m。常与精密水准仪配套使用，用于国家一、二等水准测量。

双面尺一般尺长为3m，尺面每隔1cm涂以黑白或红白相间的分格，每分米处注有数字。尺子底面钉有铁片，以防磨损。双面尺的一面为黑白相间，称为黑面尺；另一面为红白相间，称为红面尺。在水准测量中，水准尺必须成对使用。每对双面水准尺黑面尺底部的起始数均为零，而红面尺底部的起始数分别为4.687m和4.787m。为使水准尺更精确地处于竖直位置，多数水准尺的侧面装有圆水准器。塔尺和折尺常用于图根水准测量，尺面上的最小分划为1cm或0.5cm，在每1m和每1dm处均有注记。因塔尺和折尺连接处稳定性较差，仅适用于普通水准测量。

2.尺垫

尺垫如图2.11所示，用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突出的半圆球，水准尺立于半圆球上；下有三个尖脚可以插入土中，尺垫通常用于转点上，使用时应放在地上踩稳固。

2.2.3　水准仪的使用

微倾式水准仪的使用按下面五步完成。

1.安置仪器

在测站上，首先松开三脚架架腿的固定螺旋，伸缩三个架腿使高度适中，再拧紧固定螺旋。在平坦地面，通常三个脚架腿大致成等边三角形，高度适中，脚架顶面大致水平，用脚踩实架腿，使脚架稳定、牢固；在斜坡地面上，应将两个架腿安置在坡下，另一架腿安置在斜坡方向上，踩实各个架腿，这样安置仪器比较稳固；在较光滑的地面上安置仪器时，三脚架的三个腿一定不能分得太开，以防止滑动。三脚架安置好后，从仪器箱中取出仪器，旋紧中心连接螺旋将仪器固定在架头上。

2.粗略整平

松开水平制动螺旋，转动仪器，将圆水准器置于两个脚螺旋之间，当气泡中心偏离零点位于m处时，如图2.12（a）所示，用两手同时相对（向内或向外）转动1、2两个脚螺旋（此时气泡移动方向与左手拇指移动方向相同），使气泡沿1、2两螺旋连接的平行方向移至中间n处，然后，转动第三个脚螺旋，使气泡居中，如图2.12（b）所示。

3.照准水准尺

（1）目镜对光。松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，调节目镜，使十字丝清晰。

（2）粗略照准。利用望远镜镜筒上面的准星，照准水准尺，然后拧紧制动螺旋。

（3）物镜对光。转动物镜对光螺旋，使水准尺成像清晰。

（4）精确照准。转动微动螺旋，用十字丝的纵丝照准水准尺中央或边缘。

（5）消除视差。经过物镜对光后，尺像应落在十字丝平面上；否则，当眼睛微微上下移动时，将看到十字丝的横丝相对水准尺读数也随之变化，这种现象称为十字丝视差（简称视差），如图2.13（a）和图2.13（b）所示。视差的存在严重影响读数的正确性，必须予以消除。为此，应反复调节目镜和物镜对光螺旋，直至眼睛无论在哪个位置观察，横丝所照准的读数始终清晰不变为止，如图2.13（c）所示。

4.精确整平

转动微倾螺旋，同时由气泡观察窗进行观察，至两半气泡符合为止。精确整平时应注意：若需右半气泡往下，应按顺时针方向转动微倾螺旋；若需右半气泡往上，应按逆时针方向转动微倾螺旋。

5.读数

精确整平后，用中丝读取水准尺读数，如图2.14所示，读数为1.608m。先估出毫米，再看清所注米数、分米数和厘米数，然后读出全部读数。读数后再检查气泡是否符合，若不符合应再精确整平，重新读数。