DS3型微倾式水准仪的构造解析

不同类型的仪器,或同一类型不同厂家生产的仪器,其外形各有不同,但结构基本一致,均是由望远镜、水准器和基座组成,图2-2所示为一种微倾式水准仪。

图2-2　DS3型微倾式水准仪

1—物镜；2—物镜调焦螺旋；3—水平微动螺旋；4—水平制动螺旋；5—微倾螺旋；6—脚螺旋；7—管水准气泡观察窗；8—管水准器；9—圆水准器；10—圆水准器校正螺丝；11—目镜调焦螺旋；12—准星；13—照门；14—基座

（一）望远镜

望远镜的作用一方面用来照准远处竖立的水准尺并读取水准尺上的读数,另一方面用于提供一条能照准目标的视准轴。

图2-3(a)为倒像望远镜的结构图,它由目镜、物镜、调焦透镜、十字丝分划板、调焦螺旋和镜筒组成。

十字丝分划板［图2-3(b)］上刻有两条相互垂直的细线,分别称作横丝(中丝)和竖丝,二者合称十字丝。十字丝的作用是瞄准目标和读数。十字丝竖丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短丝,称为视距丝,可用来测量水准仪到水准尺的距离,具体内容参见第四章第二节。十字丝分划板由圆形玻璃片制成,装在分划板座上,并由校正螺钉固定在镜筒上。

图2-3　望远镜的构造

1—物镜；2—物镜调焦螺旋；3—物镜调焦透镜；4—十字丝分划板；5—目镜及目镜调焦螺旋；6—十字丝放大像

十字丝交点与物镜光心的连线称为视准轴(即视线),见图2-3(a)中的CC轴线。水准测量时在视准轴水平的情况下,用十字丝中丝在水准尺上进行读数。

望远镜的成像原理,如图2-4所示。设远处目标AB发出的光线经物镜1及物镜调焦透镜3(两者组成虚拟物镜2)的折射后,在十字丝平面4上成一倒立的实像ab；通过目镜5的放大而成虚像a′b′,十字丝分划板也同时放大。

图2-4　望远镜的成像原理

由图2-4可知,观测者通过望远镜观察虚像a′b′的视角为β,而直接观察目标AB的视角为α,显然,β＞α。由于视角放大了,观测者就感到远处的目标被移近了,目标看得更清楚了,从而提高了瞄准和读数的精度。通常定义β与α之比为望远镜的放大倍数V,即V=工程测量规范要求DS3水准仪望远镜的放大倍数不得小于28。

根据在目镜端观察到的物体成像情况,望远镜可分为正像望远镜和倒像望远镜。

物镜与十字丝分划板之间的距离是固定不变的,而望远镜所瞄准的目标有远有近。目标发出的光线通过物镜后,在望远镜内所成实像的位置随着目标的远近而改变,要旋转物镜调焦螺旋使目标像与十字丝分划板平面重合才可以读数。此时,观测者的眼睛在目镜端上、下微微移动时,目标像与十字丝没有相对移动,如图2-5(a)所示。如果目标像与十字丝分划板平面不重合,观测者的眼睛在目镜端上、下微微移动时,目标像与十字丝之间就会有相对移动,这种现象称为视差,如图2-5(b)所示。

图2-5　视差

(a)没有视差；(b)有视差

视差会影响读数的正确性,读数前应消除它。

消除视差的方法是:将望远镜对准明亮的背景,旋转目镜调焦螺旋。使十字丝十分清晰；将望远镜对准标尺,旋转物镜调焦螺旋使标尺像十分清晰。

（二）水准器(www.xing528.com)

水准器有管水准器和圆水准器两种。

1.管水准器

图2-6　管水准器

管水准器(也称水准管)由玻璃圆管制成,其纵向内壁磨成一定半径R(一般为8～100m)的圆弧(图2-6)。将管内注满乙醇或乙醚,加热封闭,冷却后管内液体体积收缩出现一小气泡即为水准气泡。由于气泡较轻,故处于管内最高位置。

在水准管表面刻有2mm间隔的分划线,如图2-6所示,分划线中心O与圆弧中心重合,O点称为水准管的零点,过零点的圆弧纵向的切线LL,称为水准管轴。当气泡中心与水准管的零点重合时,气泡居中,此时水准管轴LL处于水平状态。如果仪器制造时设计成与视准轴保持平行关系,则可由气泡是否居中来判断视准轴是否处于水平状态。

水准管圆弧2mm所对的圆心角τ,称为水准管分划值。用公式表示为

式中:ρ=206265″；R为圆弧半径,mm。

分划值τ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τ。显然,R越大,τ越小,水准管的灵敏度越高,仪器置平精度就高。DS3水准仪水准管的分划值为20″/2mm。

为了提高水准管气泡的居中精度,在水准管的上方装有一组符合棱镜,如图2-7所示,通过这组棱镜,将气泡两端的影像反射到望远镜旁的水准管气泡观察窗内,旋转微倾螺旋,当窗内气泡两端的影像吻合时,表示气泡居中。

图2-7　水准管的符合棱镜系统

1、2—符合棱镜；3—直角棱镜；4—水准管分划线；5—气泡

图2-8　管水准器

2.圆水准器

圆水准器将圆柱形玻璃盒装嵌在金属框中,如图2-8所示。其玻璃盒顶面内壁磨成一定半径R(一般在0.5～2m之间)的球面。与水准管一样内装有酒精或乙醚混合液,制成后留有一汽泡。中央刻有圆分划圈,圆圈中心O为圆水准器的零点。通过零点O的球面法线L′L′称为圆水准器轴,如图2-8所示,当圆水准器气泡居中时,该轴线处于铅锤状态。如果仪器在制造时将此轴线设计成与仪器竖轴保持平行关系,则当圆水准器气泡居中时,仪器竖轴也处于铅锤位置。

在过零点的任意一纵断面上,气泡中心偏离零点2mm的弧长所对的圆心角,称为圆水准器的分划值。DS3水准仪圆水准器的分划值一般为8′。因此,圆水准器灵敏度较低,通常用于粗略整平仪器。

图2-9　水准尺

（三）基座

基座的作用是支承上部仪器,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。