工作任务一 水准仪的构造及使用

一、水准仪概述

1.水准仪的型号及参数

水准仪是水准测量（高程测量）的主要仪器。“DS”分别是“大地”、“水准仪”汉语拼音的第一个字母，数字“05、1、3”等表示该仪器的精度，书写时可以省略“D”，具体参数见表2-1。通常称DS05、DS1为精密水准仪，主要用于国家一、二等水准测量和精密工程测量；称DS3为普通水准仪，主要用于国家三、四等水准测量和常规工程建设测量。工程建设中，使用最多的是DS3普通水准仪。

2.水准仪的作用

主要是能提供一条水平视线，照准离水准仪一定距离处的水准尺并读取尺上读数，求出高差h。其次，可以利用视距测量的方法，测量出仪器至水准尺间的水平距离D。

3.水准仪的分类

按结构分为微倾式水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和数字水准仪（电子水准仪）。按精度分为精密水准仪和普通水准仪。

4.水准仪的保养与维护

养护的好可以延长水准仪寿命。

（1）避免阳光直射，禁止随便拆卸仪器。

（2）旋钮转动要轻。

（3）擦拭目镜、物镜镜片要用专用镜头纸。

（4）仪器出现故障，应由专业人士进行检测和维修。

（5）每次使用后，均应将仪器擦拭干净，保持干燥。

（6）仪器取出和装进仪器箱都要轻拿轻放，防止振动。

5.常见水准仪及参数

目前，常见的水准仪及主要参数见表2-2。

二、DS3微倾式水准仪及使用

1.DS3微倾式水准仪的构造

图2-1是国产DS3微倾式水准仪，主要由望远镜、水准器和基座三部分组成，各部分的具体组成和作用见表2-3。

物镜光心与十字丝交点的连线称望远镜的视准轴，即水准仪提供的水平视线。

水准轴与水准管轴的夹角称为i角，正常情况下，i角为0°，否则称为i角误差，直接影响水准仪的测量精度。

2.DS3微倾式水准仪的附件

DS3微倾式水准仪附件主要包括三脚架、水准尺和尺垫，见表2-4和图2-2。

3.DS3微倾式水准仪的使用

普通水准仪的操作分为安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。

（1）安置仪器。安置水准仪的基本方法是：张开三脚架，根据观测者的身高，调节好架腿的长度，使其高度适中，目估架头大致水平，取出仪器，用连接螺旋将水准仪固定在架头上。地面松软时，应将三脚架踩入土中，在踩脚架时应注意使圆水准气泡尽量靠近中心。

（2）粗略整平。旋转脚螺旋使圆水准气泡居中，仪器的竖轴大致铅垂，望远镜的视准轴大致水平。旋转脚螺旋方向与圆水准气泡移动方向的规律是：用左手旋转脚螺旋时，左手大拇指移动方向即为水准气泡移动方向（右手相反），如图2-3所示。设气泡偏离中心于a处时，可先选择一对脚螺旋①、②，用双手以相对方向转动两个脚螺旋，使气泡移至两脚螺旋连线的中间b处；然后再转动脚螺旋③使气泡居中。此项工作反复进行，直至在任意位置气泡都居中。

小窍门：使圆水准气泡居中的工作。分两步进行速度快。

①利用三脚架腿使圆水准气泡大致居中。

方法：踩实两个架腿，用手握紧第三个架腿做前后、左右移动可使气泡大致居中。

规律：前后一致，左右相反。即架腿前后移动气泡也前后移动且移动方向相同，架腿左右移动气泡也左右移动，但移动方向相反。

注意：移动架腿也需要踩实，所以气泡位置要事先留一定量。

②利用脚螺旋使圆水准气泡精确居中。

方法：先转动其中两个脚螺旋，气泡在这两个脚螺旋连线方向上移动到中间位置，再转动第三个脚螺旋，气泡即可居中。

规律：气泡移动方向与左手大拇指运动方向一致。

注意：两个脚螺旋必须相向或相背旋转，转动第三个脚螺旋时绝对不能再转动前两个的其中一个。此项工作反复进行，直至在任意位置气泡都居中。

（3）瞄准水准尺。瞄准就是使望远镜对准水准尺，清晰地看到目标和十字丝成像，以便准确地进行水准尺读数。

（4）精确整平。精确整平简称精平，先从望远镜的侧面观察管水准气泡偏离零点的方向，旋转微倾螺旋，使气泡大致居中，再从目镜左边的符合气泡观察窗中察看两个气泡影响是否吻合，如不吻合，再慢慢旋转微倾螺旋直至完全吻合。

（5）读数。仪器精平后，应立即用十字丝的中丝在水准尺上读数。读数前要认清水准尺的注记特征，读数时要按从小到大的方向，读取米、分米、厘米、毫米四位数字，最后一位毫米为估读数。如图2-4所示，黑面尺的读数为1608；完成黑面尺的读数后，将水准尺纵转180°，立即读取红面尺的读数6295，这两个读数之差为4687，正好等于该尺红面注记的零点常数，说明读数正确。

注意：由于水准仪粗平后，竖轴不是严格铅直，当望远镜由一个目标（后视）转到另一目标（前视）时，气泡不一定符合，应重新整平，气泡符合后才能读数。

4.水准仪的望远镜调焦

所有仪器的望远镜使用方法都相同。

（1）初步瞄准。松开制动螺旋，转动望远镜，利用镜筒上的照门和准星连线对准水准尺，然后拧紧制动螺旋。

（2）目镜调焦。转动目镜调焦螺旋，直至清晰地看到十字丝。

（3）物镜调焦。转动物镜调焦螺旋，使水准尺成像清晰。

（4）精确瞄准。转动微动螺旋，使十字丝的竖丝对准水准尺像中间位置。

（5）消除视差。瞄准时应注意消除视差。所谓视差，如图2-5所示，就是当目镜、物镜对光不够精细时，目标的影响不在十字丝平面上，以致两者不能同时被看清楚。视差的存在会影响瞄准和读数精度，必须加以检查并消除。检查有无视差，可用眼睛在目镜端上、下微微移动，若发现十字丝和水准尺成像有相对移动现象，说明视差存在。消除视差的方法是仔细地进行目镜调焦和物镜调焦，直至眼睛上下移动而读数不变为止。

5.读水准尺步骤

（1）概略瞄准。用望远镜上的缺口和准星（或瞄准器），在望远镜外瞄准水准尺，旋紧制动螺旋。

（2）精确瞄准。从望远镜中观察水准尺，调节微动螺旋，精确瞄准水准尺（十字丝竖丝平分尺面）。调节目镜、物镜对光螺旋，消除视差。

（3）定平水准管。转动微倾螺旋使长水准管气泡居中。

（4）读数。读取中丝读数，依次读取米、分米、厘米数值，估读毫米，一般记录以米为单位。

（5）读数校核。读完读数后，要复核长水准管气泡是否居中，若居中则读数有效，否则需要重复（3）、（4）两个步骤。

6.水准观测的要点

以下是水准观测要点，记住对快速准确读数有很大好处。

（1）消。一定要消除视差。

（2）平。视线要水平。

（3）快。读数要快。

（4）小。估读毫米要取小值。

（5）检。读数后要检查视线是否水平。

7.微倾式水准仪精密定平法

在施工测量中，经常会安置一次仪器进行多个点的高程测量，测量时间较长，容易出现仪器圆水准气泡偏离中心的情况，为减少安平次数，采用“精密定平法”，步骤如下：

（1）平行居中。仪器概略整平后，将水准管放置在与某两个脚螺旋连线平行的位置，并转动这两个脚螺旋，使长水准管气泡剧中。

（2）反向居中。将望远镜水平旋转180°，若长水准管气泡不居中，则仍用这两个脚螺旋微调使气泡偏差缩小一半，再用微倾螺旋使其居中。

（3）垂直居中。将望远镜水平旋转90°，利用第三个脚螺旋使气泡居中，这样望远镜在任何方向均处于水平状态。

注意：圆水准气泡可能不居中，正常现象。

三、自动安平水准仪

1.自动安平水准仪的结构

仪器由望远镜、自动补偿器、竖轴系、制微动机构及基座等部分组成。

如图2-6所示，望远镜为内调焦式的正像望远镜，大物镜采用单片加双胶透镜形式，具有良好的成像质量，结构简单。

自动补偿器采用精密微型轴承吊挂补偿棱镜，整个摆体运转灵敏，摆动范围可通过限位螺钉进行调节。补偿器采用空气阻尼机构，使用两个阻尼活塞，具有良好的阻尼性能。望远镜视场左端的小窗为补偿器警告指示窗。当仪器竖轴倾角在补偿器正常有效工作范围内时，警告指示窗全部呈绿色，当超越补偿范围时，窗内一端将出现红色，这时应重新安置仪器。当绿色窗口中亮线与三角缺口重合时，仪器处于铅垂状态，圆水准器气泡居中。

仪器采用标准圆柱轴，转动灵活。基座起支承和安平作用。脚螺旋中丝母和安平丝杠的间隙，可以利用调节螺钉来调节，以保证脚螺旋舒适无晃动。基座上设有水平金属度盘，可以测量两个目标间的水平角。

2.自动安平水准仪的使用

与DS3水准仪使用方法基本相同，只是不需要精确整平。

（1）安装三脚架。将三脚架置于测点上方，三个脚尖大致等距，同时要注意三脚架的张角和高度要适宜，且应保持架面尽量水平，顺时针转动脚架下端的翼形手把，可将伸缩腿固定在适当的位置。脚尖要牢固地插入地面，要保持三脚架在测量过程中稳定可靠。

（2）仪器安装在三脚架上。仪器放在三脚架上，并用中心螺旋将仪器可靠紧固。

（3）仪器整平。方法与DS3水准仪相同。

（4）瞄准标尺。分以下三步进行：

1）调节视度。使望远镜对着明亮处，旋转望远目镜使分划板变得清晰即可。

2）粗略瞄准目标。瞄准时用双眼同时观测，一只眼睛注视瞄准口内的十字丝，一只眼睛注视目标，转动望远镜使十字丝和目标重合。

3）精确瞄准目标。拧紧制动手轮，转动望远镜调焦手轮，使目标清晰地成像在分划板上。这时眼睛做上下、左右的移动，目标像与分划板刻线应无任何相对位移，即无视差存在。然后转动微动手轮，使望远镜精确瞄准目标。

此时，警告指示窗应全部呈绿色，方可进行标尺读数。

（5）读数。方法与DS3水准仪相同。

3.自动安平水准仪的注意事项

与DS3水准仪类似，使用方法要得当。

（1）仪器安置。仪器安置在三脚架上时，必须将仪器紧固，三脚架应安放稳固。

（2）阳光照射。仪器在工作时，应尽量避免阳光直接照射，可以带遮光罩。

（3）注意补偿器。仪器较长时间没有使用，在测量前应检查补偿器的失灵程度，可转动脚螺旋，如警告指示窗两端能分别出现红色，反转脚螺旋时窗口内红色能够消除并出现绿色，说明补偿器摆动灵活，可进行测量。

（4）观测过程。观测过程中应随时注意望远镜视场中的警告颜色，小窗中呈绿色时表明自动补偿器处于补偿工作范围内，可以进行测量。任意一端出现红色时都应重新安平仪器后再进行观测。

（5）仪器保管。测量结束后，用软毛刷拂去仪器上的灰尘，望远镜的光学零件表面不得用手或硬物直接触碰，以防油污或擦伤。仪器使用过后应放入仪器箱内，并保存在干燥通风的房间内。

（6）仪器运输。仪器在长途运输过程中，应使用外包装箱，并应采取防震防潮措施。

4.自动安平水准仪的特点

与DS3水准仪相比，自动安平水准仪有以下特点：

（1）无制动螺旋。大部分自动安平水准仪的机械部分采用了摩擦制动（无制动螺旋）控制望远镜的转动。

（2）省略精确整平。自动安平水准仪在望远镜的光学系统中装有一个自动补偿器代替了管水准器起到了自动安平的作用。当望远镜视线有微量倾斜时，补偿器在重力作用下对望远镜做相对移动从而能自动而迅速地获得视线水平时的标尺读数。

自动安平水准仪由于没有制动螺旋、管水准器和微倾螺旋，在观测时候，在仪器粗略整平后，即可直接在水准尺上进行读数，因此自动安平水准仪的优点是省略了“精平”过程，从而大大加快了测量速度。

四、电子水准仪

电子水准仪，也称数字水准仪。在望远镜的光路中增加了分光镜和光电探测器等部件，采用条形码分划水准尺和图像处理电子系统构成光、机、电及信息存储与处理的一体化水准测量系统。

1.电子水准仪的测量原理

电子水准仪的关键技术是自动电子读数及数据处理，徕卡NA系列采用相关法；蔡司DiNi系列采用几何法；拓普康DL系列采用相位法，三种方法各有长处。如图2-7所示为采用相关法的徕卡DNA03电子水准仪的机械光学结构图。当用望远镜照准标尺并调焦后，标尺上的条形码影像入射到分光镜上，分光镜将其分为可见光和红外光两部分，可见光影像成像在分划板上，供目视观测；红外光影像成像在光电探测器上，探测器将接收到的光图像先转换成模拟信号，再转换成数字信号传送给仪器处理器，通过与机内事先存储好的标尺条形码本源数字信息进行相关比较，当两信号处于最佳相关位置时，即获得水准尺上的水平视线读数和视距读数，最后将处理结果存储并输出到屏幕显示。

2.电子水准仪的特点

与光学水准仪相比，电子水准仪具有如下特点：

（1）电子读数。用自动电子读数代替人工读数，不存在读错、记错等问题，没有人为读数误差。

（2）读数精度高。多条码（等效为多分划）测量，削弱标尺分划误差，自动多次测量，削弱外界环境变化的影响。

（3）内外业一体化。速度快、效率高，实现自动记录、检核、处理和存储，可实现水准测量从外业数据采集到最后成果处理的内外业一体化。

（4）具有普通水准仪的功能。电子水准仪一般设置有补偿器的自动安平水准仪，当采用普通水准尺时，电子水准仪又可当作普通自动安平水准仪使用。

3.条纹编码水准尺

与电子水准仪配套的条码水准尺一般为铟瓦带尺、玻璃钢或铝合金制成的单面或双面尺，形式有直尺和折叠尺两种，规格有1m、2m、3m、4m、5m几种，尺子分划的一面为二进制伪随机码分划线，其外形类似于一般商品外包装上印制的条纹码，如图2-8所示。

注意：不同生产厂家的电子水准仪，都有自己配套的条码尺，不能混用。