2.2 水准测量的仪器及工具
水准测量所使用的仪器和工具有:水准仪、水准标尺、尺垫和三脚架。现分别介绍如下。
2.2.1 DS3型微倾式水准仪
我国生产的水准仪按其精度分为DS05、DS1、DS3和DS10等不同等级的仪器。“D”、“S”分别为“大地测量仪器”、“水准仪”汉语拼音的第一个字母，数字表示用这种仪器进行水准测量时，每公里往返观测的高差中误差，以毫米为单位。建筑工程测量中通常使用DS3型微倾式水准仪，其测量精度为“±3mm”。
图2.3所示为国产DS3型微倾式水准仪及与之相配套的三脚架示意图。这种水准仪主要构造由望远镜、水准器和基座三大部分组成。
图2.3
1.望远镜
望远镜是用以照准目标和对水准标尺进行读数的设备。它主要由物镜、调焦透镜、十字丝及目镜组成，如图2.4所示。
图2.4
根据光学原理可知，观测时由望远镜的物镜对准观测目标，其作用是将观测目标在望远镜镜筒中形成倒立的实像。目镜对向观测者的眼睛，其作用是将物镜形成的像进行放大。因此，目镜又称放大镜。十字丝的作用是为了精确地照准目标并读取标尺读数。
由于观测目标离水准仪的距离不同，目标的影像在十字丝平面上的位置也随着目标的远近而改变，为了使观测目标的影像落在十字丝的平面上，在照准目标后必须转动望远镜上的物镜调焦螺旋，使调焦透镜前后移动，直到目标的影像落在十字丝平面上，再通过目镜的放大作用使影像和十字丝同时放大成倒立的虚像，如图2.5所示。从望远镜内所看到的目标影像的视角β与肉眼直接观察该目标的视角(可近似地认为是α)之比，称为望远镜的放大倍率，用V(V=β/α)表示。DS3型微倾式水准仪的望远镜放大倍率为30倍左右。
图2.5
十字丝是刻在一块圆玻璃板上相互垂直的两条细丝，竖直的一根称为纵丝，水平的一根称为横丝，也称为中丝。横丝上、下还刻有两根对称的短横丝，这两根短横丝是用来测量距离的，故称为视距丝。如图2.4中的6所示。
十字丝交点与物镜光心的连线称为望远镜的视准轴(或照准轴)。如图2.4中的CC连线。
望远镜的正确使用方法是:首先将物镜对准背景明亮处，转动目镜调焦螺旋，使十字丝清晰，然后将物镜对准目标，转动物镜调焦螺旋使目标的影像落在十字丝平面上，这时就可以在目镜中清晰地看到十字丝和目标了。
由于眼睛的分辨能力有限，在测量中往往目标影像没有完全落在十字丝平面上就误认为影像最清晰了，这时，当观测员的眼睛对着目镜上下移动时，目标影像与十字丝横丝上下有错动，这种现象就称为视差。在观测中若有视差存在，将会严重地影响读数的准确性，造成测量数据的不可靠。因此，视差在读数前必须消除。消除视差的方法是仔细认真地对物镜、目镜反复调焦，直到影像与十字丝没有错动现象为止，如图2.6所示。在物镜的下方还有望远镜的水平制动螺旋和微动螺旋，借助这两个螺旋可以精确地照准目标。
图2.6
2.水准器
水准器是仪器的整平装置。水准仪的水准器由管状水准器(或称为水准管)和圆水准器两种组成。水准管安装在望远镜的左侧，供读数时精确地整平视准轴用。圆水准器安装在托板上，供概略整平仪器用。
1)水准管
水准管是一个两端封闭而纵向内壁磨成半径为7～80m圆弧的玻璃管，管内注满酒精和乙醚的混合液，加热密封，冷却后在管内形成气泡。如图2.7(a)所示。水准管顶面圆弧的中心点O称为水准管零点。通过O点做一切线LL称为水准管轴。安装时水准管轴与望远镜视准轴平行。当气泡的中心点和零点重合即气泡被零点平分时，称为气泡居中，此时，水准管轴成水平位置，视准轴也同时水平。为了便于判断气泡是否严格居中，一般在零点两侧每隔2mm刻一分划线，如图2.7(b)所示。水准管上每2mm弧长所对应的圆心角称为水准管的分划值。分划值的大小是反映水准管灵敏度的重要指标。水准管分划值有10″、20″、30″、60″等几种。分划值愈小，水准管轴的整平精度愈高。DS3型水准仪的水准管分划值为20″。
在水准测量观测中，为了提高眼睛判断水准管气泡居中的精度，在水准管的上方安装了一组棱镜，如图2.8(a)所示。通过棱镜的反射，把水准管一半气泡两端的影像折射到望远镜旁的气泡观察窗内。经过折射后半气泡两端的影像呈两个半影，如图2.8(b)所示。当气泡居中时，即气泡被零点平分，两端长度相等，两端半气泡就吻合;当气泡不居中时(图2.8(c)，就向一端偏移，若偏移量为d，经过棱镜组反射、折射后，两端半气泡影像合在一起比较，使偏移量扩大了2倍，因此，就可提高2倍的居中精度。在观察窗内看到图2.8(c)中的影像，通过调节目镜下方的微倾螺旋，就可使水准管气泡居中，半气泡影像吻合，以便达到视线水平。这种具有提高居中精度的棱镜组装置的水准管，称为符合水准器。
图2.7
图2.8
2)圆水准器
圆水准器是一个顶面内壁磨成半径0.5～1.0m的圆球面的玻璃圆盒，盒内注满酒精和乙醚的混合液，加热密封，冷却后在盒内形成气泡。如图2.9所示。它固定在仪器的托板上。玻璃球面的中央刻一个圆圈，圆圈的中心称为圆水准器的零点，圆圈的中心和球心的边线称为圆水准器轴。圆水准盒安装时，圆水准器轴和仪器的竖直轴平行。当气泡中心与圆圈中心重合时，表示气泡居中，此时圆水准器轴处于铅垂位置，仪器竖直轴铅垂，仪器就处于概略水平状态。
过零点各方向上2mm弧长所对应的圆心角称为圆水准器的分划值，由于圆水准器顶面半径短，分划值大，其整平精度低，所以在水准仪上圆水准器只做概略整平。DS3型水准仪圆水准器的分划值一般为8'～10'。
3.基座
基座主要由轴座、脚螺旋和三角形的连接板组成。基座起支承仪器上部并与三脚架连接在一起的作用。仪器的竖直轴套在轴座内，可使仪器上部绕竖直轴在水平面内旋转。调节三个脚螺旋，可使圆水准器气泡居中，使仪器概略水平。
图2.9
通过以上介绍，如图2.10所示，望远镜与水准管固定在一起，且望远镜的视准轴应与水准管轴相互平行。当转动微倾螺旋时，顶尖随之做上、下运动，这时水准管与望远镜一起以微倾连接片为支点进行微小的仰、俯运行，当水准管气泡居中时，水准管轴水平，视线(视准轴)也就水平了，即可利用十字丝横丝在水准尺上进行读数。仪器的竖直轴与圆水准器连接在一起，且圆水准器轴应与竖直轴相互平行。当圆气泡居中时，圆水准器就铅垂，竖直轴也处于铅垂，仪器就概略水平。由于微倾装置中的顶尖上、下运动量较小，只有仪器概略水平时，才能利用微倾螺旋，将水准管气泡居中，使视线水平。因此，在进行水准测量时，每测站先调节脚螺旋，使圆气泡在望远镜转到任何位置时都居中，然后方可开始观测。
在同一测站上，为了保证同一条视线，只需调平一次圆气泡。由于水准管分划值较小，每次照准目标后，都要调节微倾螺旋，使水准管气泡居中，以保证读数时视线水平。
4.水准标尺
水准标尺采用经过干燥处理且伸缩性较小的优质木材精制而成。目前有些厂家也生产由玻璃钢或铝合金制成的水准标尺。
常用的水准标尺有可以伸缩的塔尺(图2.11(a))和双面尺(图2.11(b))两种。水准标尺的基本分划为1cm，用黑白或红白相间的油漆喷涂成每5cm的“E”字形(或间隔)作为标志，并在每10cm处有注记。
塔尺全长为5m，由3节套装组成，可以伸缩，尺底端从零米起算。由于塔尺每节之间接合处常易松动，稳定性差，使用时应注意检查，所以仅适用于低精度的水准测量与地形测量。
双面尺又称红黑面尺，尺长为3m，两根尺为一对。黑面分划是主尺，底端起点为零米，红面分划是辅尺，底端起点不为零米，与黑面相差一常数K。一根尺红面从K1=4.687m开始，另一根尺红面从K2=4.787m开始。两根尺红面底端分划相差0.1m，以供测量检核用。另外，在水准仪视线高度不变的情况下，对同一根水准尺在同一地面点的黑、红两面读数之差应为4.687m或4.787m，可检核读数的正确性。该尺适用于精度较高的水准测量。
图2.10
图2.11
水准测量时，当水准管气泡居中，十字丝的中丝切在标尺上时，即可依次直接读出米、分米、厘米，毫米是估读的。所以，水准测量的精度和观测时估读毫米数的准确度有很大关系。
5.尺垫
尺垫一般用生铁铸成或用铁板制成，如图2.12所示。其形状为三角形或圆形，上有一突起的半圆形圆顶，下面有三个尖的支脚。
图2.12
尺垫是在进行连续水准测量时，作为临时的固定尺点，以防止水准标尺下沉和尺点变动，保证转点传递高程的准确性。因此，在使用尺垫时一定要将三个支脚牢固地踩入土中，水准标尺立在尺垫半圆形突起的顶端上。
6.三脚架
目前大多采用伸缩式木制或铝合金三脚架，如图2.3所示。它由架头和三条架腿组成。利用架腿固定螺旋可调节三条架腿的长度，利用连接螺旋可把仪器固定在架头上。
图2.13
2.2.2 自动安平水准仪
水准仪进行测量时，是根据仪器上水准管的气泡居中后获得水平视线，再读取水准标尺的中丝读数，通过计算得出两点间的高差值。为了获得水平视线，每次读数前必须转动微倾螺旋，使水准管气泡居中，这一必须实施的操作步骤给水准测量的速度和精度都带来了一定的影响。为了省略这一操作步骤，加快观测速度，提高成果的精度，在20世纪40年代就研制出一种可以自动精确整平的水准仪，这种水准仪只需经观测员概略整平(圆水准器气泡居中)后即可自动地进一步精确整平，获得水平视线，读取标尺读数，这种水准仪称为自动安平水准仪。如图2.13所示为国产DSZ3型自动安平水准仪的外形。
1.自动安平的原理
如图2.14所示，在水准仪的望远镜中设置一个补偿装置，当视准轴不水平，有一斜度不大的倾角时，通过物镜光心的水平光线经补偿器后仍能通过十字丝的交点，以获得水平视线，达到自动安平的目的。
图2.14
当视准轴水平时，十字丝的交点位于水平视线K点处，这时水准仪的中丝读数即为水平视线的读数。当视准轴不水平，有一不大于10'的倾角时，十字丝的交点由K点移到K'点上，而水平视线应有的读数仍在K处，为了使这个读数移到十字丝的交点，可采用以下两种办法。
(1)在光路中装置一个补偿器，使光线偏转一个小角而通过十字丝交点K'处，实现这种补偿的条件是fα=sβ=KK'，即β/α=f/s=γ，式中s为补偿器至十字丝中心的距离，γ为补偿器的放大系数。
(2)在望远镜内将十字丝分划板吊起来，当望远镜有不大于10'的倾斜角时，吊着的十字丝分划板因重力作用回到原来的水平位置K处，使十字丝仍为水平视线时的读数。
为解决自动安平的上述两种办法都有一因重力作用的“摆”，为了使这个“摆”能迅速地静止下来，以达到迅速读数的目的，必须安装一个阻尼器。目前，大多采用空气阻尼器，也有采用磁阻尼器的。
空气阻尼器的原理如图2.15所示。将活塞置于一个汽缸中，并与摆动杆相连接，当活塞在汽缸中摆动时，为使其迅速静止下来，在汽缸两端各设一个小孔，使缸内气体排放速度减慢，即汽缸中空气的阻力可以使摆动杆迅速停止。在实际的装置中，两个气孔已用螺钉堵死，检修时才放开，汽缸中的空气是在缸侧的窄缝中吸进和排出的。
2.自动安平水准仪的使用方法
自动安平水准仪的使用非常简便，在观测时，只需用脚螺旋将圆水准器气泡调至居中，打开补偿器开关，照准标尺即可读取读数。搬站时或观测完后应关上补偿器开关。
自动安平水准仪在使用前也要按照本章第6节的检验及校正的方法进行检验与校正，同时，还要检验补偿器的性能。其方法是先在水准尺上读数，然后少许转动物镜或目镜下面的一个脚螺旋，人为地使视线倾斜，再次读数，若两次读数相等则说明补偿器性能良好，否则需专业人员修理。
图2.15
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