地形测量技术：学习高程测量仪器

2.2.1　水准仪、水准尺和尺垫

2.2.1.1　常用水准仪

1.水准仪的分类

水准仪按测量精度分为DS05、DS1、DS3。“D”，“S”分别是“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音的第一个字母。下标数字表示这些型号的仪器每公里往返测高差中数的中误差，以毫米为单位。DS05、DS1型属于精密水准仪，DS05型主要用于国家一等、二等水准和精密工程测量，DS1型主要用于国家二等水准和精密工程测量。DS3型为普通水准仪，可用于一般工程建设测量、国家三等、四等水准测量，是目前工程上使用最普遍的一种。

按水准仪结构分类，目前主要有微倾式水准仪、自动安平水准仪和电子水准仪三种。

（1）微倾水准仪。借助微倾螺旋获得水平视线。其管水准器分划值小、灵敏度高。望远镜与管水准器联结成一体。凭借微倾螺旋使管水准器在竖直面内微作俯仰，符合水准器居中，视线水平。

（2）自动安平水准仪。借助自动安平补偿器获得水平视线。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作相对移动，从而迅速获得视线水平时的标尺读数。这种仪器较微倾水准仪工效高、精度稳定。

（3）电子水准仪。利用激光束代替人工读数。将激光器发出的激光束导入望远镜筒内使其沿视准轴方向射出水平激光束。在水准标尺上配备能自动跟踪的光电接收靶，即可进行水准测量。

2.水准仪的结构及各部件功能

本节主要以拓普康自动安平水准仪为例介绍其的基本结构。

拓普康自动安平水准仪主要由望远镜、水准器、基座和三脚架组成。仪器主要部件的名称如图1.6所示。

图1.6　拓普康水准仪

1—望远镜物镜；2—光学测微照安装定位指标；3—分划尺照明窗；4—瞄准器；5—望远镜目镜；6—水平度盘读数目镜；7—圆水准器；8—圆水准器观测镜；9—目镜盖；10—调焦螺旋；11—水平微动螺旋；12—整平脚螺旋；13—基座底板

（1）望远镜。望远镜是用来精确瞄准远处目标的。望远镜由物镜、目镜、十字丝和对光镜筒构成（图1.7）。物镜和目镜采用多块透镜组合而成，对光透镜由单块透镜或多块透镜组合而成。转动物镜对光螺旋即可带动对光透镜在望远镜筒内前后移动，使物像清晰地反映到十字丝平面上。转动目镜对光螺旋，使十字丝像清晰。

图1.7　望远镜构造

1—物镜；2—目镜；3—调焦透镜；4—十字丝分划板；5—物镜对光螺旋；6—目镜调焦螺旋

十字丝是纵横的两根长细线，竖线是十字丝的纵丝，中间的横线是十字丝的横丝。十字丝刻在一块圆形的玻璃片上，称为十字丝分划板，它装在十字丝环上，再用螺丝固定在望远镜筒内。十字丝交点与物镜光心的连线称为视准轴（图1.7的C—C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是测距时用的，以后再作介绍。

望远镜可以沿水平方向左右转动。

（2）圆水准器。圆水准器是供整平仪器用的。如图1.8所示，圆水准器是一封闭的玻璃圆盒，顶面的玻璃内表面研磨成球面，球面的正中刻画有圆圈。圆圈的中心称为零点，通过零点的法线L＇L＇，称为圆水准轴。当气泡居中时，圆水准轴就处于铅垂位置。指示仪器的竖轴也处于铅垂位置。圆水准器的气泡每移动2mm，圆水准轴相应倾斜的角度，称为圆水准器分划值，一般为8＇～10＇。在自动安平水准仪中，圆水准器作为整平使用。

图1.8　圆水准器

在微倾式水准仪中，圆水准器只作为粗略整平使用，在该水准仪中还存在一个水准管，作为精确整平使用。

（3）基座及三脚架。基座由轴座、脚螺旋和连接板组成。仪器上部通过竖轴插入轴座内，由基座承托，旋紧中心螺旋，使仪器与三脚架相连接。三脚架由木质（或金属）制成，脚架一般可伸缩，便于携带及调整仪器高度。

2.2.1.2　高程测量的工具

1.水准尺

水准尺是水准测量的重要工具（图1.9），它是用优质木料或塑料制成。水准尺的零点一般在尺的底部，尺的刻划是黑（红）白相间，每格是1cm或0.5cm，每分米处均注数字。超过1m有的加注红点，如有2个红点表示整米数为2m；有的米数用数字表示，如15则表示1.5m。

水准尺一般分为双面水准尺和塔尺两种。双面尺尺长3m，一面为黑面分划，黑白相间，尺底为零；另一面为红面分划，红白相间，尺底为一常数（如4.687m或4.787m）。普通水准测量用黑面读数，三等、四等水准测量用黑、红面尺读数进行校核。塔尺可以伸缩，尺长一般为5m，适用于普通水准测量。

图1.9　塔尺

2.尺垫

尺垫顶面是三角形或圆形，用生铁铸成或铁板压成，中央有突起的半圆顶（图1.10）。使用时将尺垫压入土中，在其顶部放置水准尺。应用尺垫的目的是临时标志点位，并避免土壤下沉和立尺点位置变动而影响读数。

2.2.1.3　精密水准仪

精密水准仪主要用于国家的一等、二等精密水准测量、地震水准测量、大型桥梁的施工测量以及大型的机械安装测量等，在土建工程中，也用于如房屋建筑物的沉降观测、桩基试验的沉降观测以及建筑构件试验的挠度观测等，应用较广。

精密水准仪为DS1级和DS05级，DS05级精度最高。精密水准仪的望远镜放大率大、亮度好，水准管灵敏度高，仪器结构稳定，读数精确，仪器密封性能好。(www.xing528.com)

图1.11为威特N3型水准仪。望远镜放大率为42倍。水准管分划值为10″，平行玻璃板测微器直读0.1mm，估读0.01mm。

图1.10　尺垫

图1.11　威特N3型水准仪

图1.12　铟钢水准尺上读数

威特N3型水准仪附有铟钢水准尺一副，尺面有二排分划线，相邻分划线的长度为1cm，每隔2cm注一数字。正对尺面右侧（在望远镜的尺像为左侧）为基本分划，注记从零开始。左侧（尺像为右侧）为辅助分划，注记从301.550cm开始。在同一水平线上尺上基、辅分划读数差值为301.550cm，以便观测时进行校核，如图1.12所示。

在瞄准水准尺进行读数时，先转动微倾螺旋使水准管气泡居中（水准管气泡两端半像符合），再转动测微轮使十字丝的楔形丝恰好夹住某一基本分划线，如图中的152cm分划线，在测微窗上读取读数为562（尾数估读），实际读数为0.562cm，两数相加为152.562cm，然后再按上法读辅助分划的读数。

2.2.2　水准仪的使用

1.水准仪的安置

在设测站的地方，打开三脚架，将仪器安置在三脚架上，旋紧中心螺旋。仪器安置高度要适中，三脚架头大致水平，并将三脚架的脚尖踩入土中。

2.粗略整平

粗略整平是旋转脚螺旋使圆水准器气泡居中，从而使仪器大致水平。转动脚螺旋使气泡居中如图1.13所示，当气泡偏离如图1.13（a）所示的位置时，可旋转任意两个脚螺旋。两手应反向转动。例如气泡偏离左边，转动①、②两个脚螺旋，其转动方向按图中箭头所示方向进行，使气泡从如图1.13（a）所示位置转至如图1.13（b）所示位置。然后按箭头方向转动另一个脚螺旋③使气泡向中心移动。按此方法多次进行，使气泡居中。整平工作，也可以先转动一个脚螺旋，然后转动其余的两个脚螺旋，使气泡居中。脚螺旋的转动方向与气泡的移动方向的规律是：气泡移动的方向与左手大拇指转动脚螺旋的方向一致。

图1.13　粗略整平

图1.14　视差产生及消除

（a）存在视差；（b）消除视差

3.瞄准水准尺

转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰，然后松开水平制动螺旋，转动望远镜，利用望远镜上部的准星与缺口照准目标，旋紧制动螺旋，再转动物镜对光螺旋，使目标的像清晰，此时目标的像不完全在中间位置，可转动微动螺旋，对准目标。

在读数之前，将眼睛在目镜端上下（或左右）微小移动，若发现十字丝和物像有相对移动，眼睛分别位于b、a、c位置时，看到十字丝交点相应对着物像的a1、b1、c1点如图1.14（a）所示，出现这样的现象称为视差。产生视差的原因是由于对光工作没有做好，像平面不与十字丝分划板平面重合。要消除视差必须再次进行目镜对光（使十字丝清晰）和物镜对光（使物像清晰），以达到像平面与十字丝分划板平面相重合，如图1.14（b）所示。

4.精平与读数

精平工作，就是在读数之前必须转动微倾螺旋，是水准管气泡居中（水准管气泡两边的影像吻合）。然后以十字丝中横丝读出尺上的数值。读数时应注意尺上注字由小到大的顺序，读出米、分米、厘米。估读至毫米。如图1.15所示的读数为1.356m。

这里有必要指出的是：在同一测站，对准另一目标时，水准管气泡都有偏离；每对准一个目标，都必须转动微倾螺旋使水准管气泡居中才能读数。

图1.15　水准尺上读数

5.使用水准仪应注意的事项

（1）搬运仪器前，应检查仪器箱是否扣好或锁好，提手或背带是否牢固。

（2）从箱内取出仪器时，应先记住仪器和其他附件在箱内安放的位置，以便用完后照原样装箱。

（3）安置仪器时，注意拧紧脚架的架腿螺旋和架头连接螺旋；仪器安置后应有人守护，以免外人扳弄损坏。

（4）操作仪器时用力要均匀轻巧，微动螺旋不能拧到极限。当目标偏在一边用微动螺旋不能调至正中时，应将微动螺旋反松几圈（目标偏离更远），再松开制动螺旋重新照准。

（5）迁移测站时，如果距离较近，可将仪器侧立，左臂夹住脚架，右手托住仪器基座进行搬迁；如果距离较远，应将仪器装箱搬运。

（6）在烈日下或雨天进行观测时，应撑伞遮住仪器，以防曝晒或淋雨。

（7）仪器用完后应清去外表的灰尘和水珠，但切忌用手帕擦拭镜头。需要擦拭镜头时，应用专门的擦镜纸或脱脂棉。

（8）仪器应存放在阴凉、干燥、通风和安全的地方，注意防潮、防霉，防止碰撞或摔跌损坏。