水准仪按照其所能达到的精度高低可分为普通水准仪和精密水准仪；按照读数方式不同，分为光学水准仪和电子水准仪；按照整平方式不同，分为微倾式水准仪和自动安平水准仪。常见的微倾式光学水准仪有DS07、DS1、DS3等几种等级。其中，“D”和“S”分别代表中文“大地”和“水准仪”的汉语拼音的第一个字母，下标数字07，1，3表示水准仪精度等级，表示每千米往返高差中数的偶然中误差大小，如DS3表示每千米往返高差中数的偶然中误差不超过3 mm。常见的自动安平水准仪的精度按照其望远镜放大倍率来区分，一般来说，望远镜是32倍对应DS1级别，24倍对应DS3级别。目前电子水准仪的精度能达到每千米往返高差中数的偶然中误差不超过0.4 mm，属于精密水准仪，一般用于国家一、二等水准测量或工程变形监测中。
本书主要对DS3微倾式水准仪、自动安平水准仪以及水准测量配套工具进行介绍。
1）微倾式水准仪的构造
根据水准测量的原理，水准仪的主要作用是提供一条水平视线，并能照准水准尺进行读数。水准仪一般由望远镜、水准器和基座三部分组成。
图3.13所示为我国生产的DS3型微倾式水准仪。
图3.13 DS3型微倾式水准仪
（1）望远镜
望远镜用于精确瞄准远处目标和读数。它由目镜、物镜、调焦透镜、十字丝分划板、物镜调焦螺旋、目镜调焦螺旋6个部分组成，如图3.14（a）所示。
图3.14 DS3型微倾式水准仪望远镜
在使用中，转动物镜调焦螺旋即可带动透镜在望远镜筒内前后移动，使物像清晰地反映到十字丝分划板上；转动目镜调焦螺旋，可使十字丝像清晰。
十字丝刻在一块圆形的玻璃片上，称为十字丝分划板，如图3.14（b）所示。它装在十字丝环上，再用螺钉固定在望远镜筒内，十字丝交点与物镜对光心的连线称为视准轴，视准轴的延长线为视线，它是瞄准目标的依据，十字丝横丝上下的两根短丝称为视距丝，用于测定测站点到立尺点的视距。
（2）水准器
水准器是用来整平仪器、显示视准轴是否水平，同时供操作人员判断水准仪是否置平的重要部件，分为圆水准器和管水准器两种。
①圆水准器：一个封闭的玻璃圆盒，盒内部装满乙醚溶液，密封后留有气泡。盒顶面内壁磨成圆球面，顶面的中央刻有一个小圆圈，其圆心即为水准器的零点。通过零点和球心的连线（O点的法线），称为圆水准轴LL′，如图3.15所示。
图3.15 圆水准器
图3.16 微倾式水准仪水准管
当气泡居中时，圆水准轴即处于铅垂位置；气泡偏离零点，轴线呈倾斜状态，气泡中心偏离零点2 mm，轴线所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值。DS3型水准仪圆水准器的分划值一般为8′～10′，灵敏度较低，用于仪器的粗略整平。
②管水准器：又称为水准管，由玻璃圆管制成，其纵剖面方向的内表面被磨成具有一定半径的圆弧。如图3.16所示，管内装有乙醚溶液，加热融化密封冷却后在管内留有一个气泡，即为水准气泡。
在水准管的表面刻有2 mm间隔的分划线，如图3.16所示，分划线与水准管的圆弧中点O对称，O点称为水准管的零点，通过零点作圆弧的切线，称为水准管轴，记作LL′。当气泡处于零点位置时，管水准器气泡居中，管水准器轴处于水平位置；否则，水准管轴处于倾斜位置，视准轴也处于倾斜位置。通常，根据水准气泡两端与水准管分划线的位置对称来判断水准管气泡是否精确居中。
图3.17 附合水准器
为了提高判别水准管气泡居中的准确度，在水准管的上方设置一组附合棱镜，（图3.17），利用棱镜的反射，将气泡两端的半幅影像反映在望远镜旁边的观察窗内，水准管不居中，水准管两端的影像错开，这时可转动微倾螺旋，以使水准管连同望远镜沿着竖向微小转动达到水准管气泡居中，当两端的影像附合成一个圆弧时，表示气泡居中。
水准管上两相邻分划线间圆弧所对的圆心角，称为水准管分划值。测量仪器上的水准管分划值，大的可达2′～5′，小的可达2″，水准管的分化值越小，仪器的灵敏度越高。DS3型水准仪水准管的分划值为20″，记作20″/2 mm。由于管水准器精度较高，因而主要用于仪器的精确整平。
气泡准确而快速移动到管中最高位置的能力称为水准管的灵敏度。测量仪器中的水准管的灵敏度须适合其用途，用灵敏度较高的水准管可以更精确地使仪器的某部分成水平位置或竖直位置。但灵敏度越高，置平所花费时间越多，一般而言，水准管灵敏度应与仪器其他部分的精密情况相适应。
（3）基座
基座的作用是支撑仪器的上部，并通过连接螺旋将仪器与三脚架相连。基座由轴座、脚螺旋、底板和三角形压板组成。仪器上部通过竖轴插入轴座内，由基座承托，旋紧连接中心螺旋，使仪器与三脚架相连。三脚架由木质制成，一般可伸缩，便于携带及调整仪器的高度。
除上述主要部件外，水准仪还装有制动螺旋、微动螺旋和微倾螺旋。制动螺旋主要用于固定仪器，当仪器固定不动时，可利用微动螺旋和微倾螺旋使望远镜在水平方向和竖直面内作微小转动。当圆水准气泡居中后，转动微倾螺旋使管水准器气泡影像附合，即可利用水平视线读数。
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2）自动安平水准仪
（1）自动安平水准仪构造
自动安平水准仪与微倾式水准仪基本类似，其特点是没有水准管和微倾螺旋，如图3.18所示。自动安平水准仪只需要根据圆水准器将仪器粗平，此时视准轴尽管存在微小的倾斜，仍可借助于一种利用重力的补偿装置，依然能用十字丝横丝读出相当于水准轴水平时的尺上读数。因此，自动安平水准仪是一种操作比较方便，有利于提高观测速度的仪器。现阶段，自动安平水准仪被广泛应用在水准测量中。
图3.18 自动安平水准仪的构造
1—粗瞄镜；2—物镜调焦螺旋；3—物镜；4—水平微动螺旋；5—基座；6—圆水准器观察窗；7—圆水准器；8—度盘；9—脚螺旋；10—目镜罩；11—目镜调焦螺旋；12—度盘指示线
（2）自动安平水准仪的基本原理
在水准仪望远镜的光学系统中，设置利用地球重力作用的补偿器，以改变光路，使视准轴略有倾斜时，在十字丝中心仍能收到水平视线，达到水准测量的基本要求。
如图3.19所示，视准轴水平时，在水准尺上的读数为a，即a点的水平视线经望远镜光路到达十字丝中心。当视准轴倾斜了一个小角度α时，则按视准轴读数为a′。为了使十字丝横丝的读数仍为视准轴水平时的读数，在望远镜的光路中加一补偿器，使通过物镜光心的水平视线经过补偿器的光学元件后偏转β角，仍能够成像于十字丝中心，即能达到补偿的目的。
（3）自动安平补偿器的结构
水平线是与铅垂方向相垂直的线，利用地球上某点的重力方向即铅垂方向的原理，在自动安平水准仪望远镜的光路中，吊悬补偿器棱镜（或平面镜），借助重力作用，使其重心始终保持在铅垂方向，并与固定棱镜组配合，使水平入射光线几经折射后始终能在十字丝中心。
图3.19 自动安平水准仪的基本原理
图3.20所示为有代表性的自动安平补偿器装置的结构示意图，补偿器在固定支点下用四根吊丝自由悬挂着，转向棱镜固定在望远镜镜筒中。当视准轴水平时，水平视线经过转向棱镜和补偿镜的反射，最后不改变原来的方向，射向十字丝中心，即水平视线与视准轴重合。当视准轴有微小的倾斜时，水平视线原先与视准轴不重合，但是经过转向棱镜和受重力作用而改变原来位置的补偿镜的反射，最后仍能恢复到与视准轴相重合，达到自动整平的目的。
图3.20 自动安平水准仪补偿器结构示意图
3）水准测量的附件工具
（1）脚架
水准仪脚架如图3.21所示，用于安置水准仪，由木质或金属制成，脚架一般可伸缩，便于携带及调整高度，使用时用中心连接螺旋与仪器固紧。
图3.21 水准仪脚架
图3.22 水准标尺
（2）水准标尺
水准标尺是水准测量的重要工具，其质量的好坏直接影响水准测量的精度，由伸缩小、不宜变形的优质材料制成。水准标尺的形式很多，最常见的如图3.22所示，从左至右依次为双面木板尺、折叠尺、铝合金塔尺和木质塔尺；另外，还有用于精密水准测量的精密水准尺和条码尺。
双面木板尺用于三、四等水准测量，长度为3 m，两根为一对，尺子的两面均有刻划——一面为黑白相间，称为黑面尺（也称主尺）；一面为红白相间，称为红面尺。
两面的最小刻划均为1 cm，并在分米处标注；两根尺的黑面均由零开始，一根尺子的红面由4 687（mm）开始，另一根的红面由4 787（mm）开始，其目的是避免观测时的读数误差，便于检校读数。同时用红黑两面读数求得高差，可进行测站检核计算。
塔尺一般用于等外水准测量，一般由几节套接而成，其长度为3 m或者5 m，每小格宽1 mm，米和分米处均注有数字，数字有正字和倒字两种，数字上加红点表示米数。塔尺接头处容易损坏，测量时易出现误差。
图3.23 尺垫
（3）尺垫
尺垫由铸铁制成，一般为三角形，中间有一突出的半球体，下方有三个支脚，使用时将尺垫踩入土中。水准尺位于球顶的最高点。尺垫通常用于转点处，作用是防止转点移动和水准尺下沉，如图3.23所示。
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