2.2 水准测量的仪器和工具

水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。

2.2.1 水准仪

水准仪的类型很多，我国按其精度指标划分为DS₀₅、DS₁、DS₃和DS₁₀四个等级，D和S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，而表示水准仪精度指标的05、1、3、10指每公里往返测高差中，数的偶然误差分别不超过0.5mm、1mm、3mm、10mm。DS₀₅、DS₁为精密水准仪，主要用于国家一等、二等水准测量和精密水准测量；DS₃、DS₁₀为普通水准仪，用于一般的高程建设测量和三等、四等水准测量。本书着重介绍DS₃型水准仪。

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，并能够瞄准水准尺读数。那么，要能提供一条水平视线，就要求水准仪有一个指示是否水平的水准器，并且还要有一个能够将水准器调节至水平状态的部件。要能够瞄准远处的水准尺，就要求水准仪有一个望远镜。因此，水准仪主要由三个部分组成：望远镜、水准器、基座。图2-3是我国生产的DS₃型水准仪外貌和各部分名称。

图2-3 DS₃型水准仪

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—脚螺栓 7—管水准器气泡观察窗 8—管水准器 9—圆水准器 10—圆水准器校正螺栓 11—目镜 12—准星 13—照门 14—基座

2.2.1.1 望远镜

图2-4 望远镜的构造

望远镜是构成水平视线、瞄准目标并对水准尺进行读数的主要部件。它由物镜、目镜、调焦透镜、十字丝分划板、准星和缺口组成。准星和缺口是用来粗略照准目标的。图2-4是望远镜的构造图。物镜光心与十字丝交点的连线称为望远镜的视准轴，视准轴是瞄准目标和读数的依据。目前水准仪上的望远镜多采用内对光式的倒像望远镜，其成像原理如图2-5所示。目标AB经过物镜Ⅰ和调焦透镜Ⅱ的作用在镜简内构成倒立的小实像ab，转动调焦螺旋，调焦透镜随之前后移动，使不同距离的目标清晰的成像在十字丝分划板上，再经过目镜Ⅲ放大，使倒立的小实像放大成为倒立的大虚像a₁b₁。

经望远镜放大的虚像与眼睛直接看到的目标大小的比值，称为望远镜放大率，用“V”表示。DS₃型水准仪的望远镜放大倍率一般不低于28倍。

图2-5 望远镜成像原理

十字丝分划板形式较多，常见的几种形式如图2-6所示，一般是在玻璃平板上刻有相互垂直的纵横细线，称为横丝（又叫中丝）和纵丝（也叫竖丝）。与横丝平行而等距的上、下两根短细线，称为视距丝，用于测量距离。上、下视距丝分别称为上丝、下丝。调节目镜调焦螺旋，可使十字丝分划线成像清晰。

图2-6 十字丝分划板

2.2.1.2 水准器

水准器是用来衡量视准轴是否水平或仪器竖轴是否铅直的装置。水准器有管水准器（简称水准管）和圆水准器两种。水准管是用来指示视准轴是否水平；圆水准器是用来指示竖轴是否竖直。

1.水准管

水准管是一个两端封闭的玻璃管。管的内壁研磨成具有一定半径的圆弧，管内装有粘滞小而易流动的液体（酒精或乙醚），装满后加热使液体膨胀而排出一小部分然后将两端封住，待冷却后管内便形成一个小空间，这个空间即为水准气泡。由于气体比液体轻，因此，无论水准管处于水平或是倾斜位置，气泡总处在管内最高点。水准管外形如图2-7a所示。

水准管壁上刻有2mm间隔的分划线，用来判断气泡居中位置，如图2-7b所示。分划线的对称中心S是水准管圆弧的中点，称为水准管的零点。过零点与水准管圆弧相切的直线LL称为水准管轴。当气泡两端与零点对称，即气泡中点与水准管零点重合时称为气泡居中，这时水准管轴LL一定处于水平位置，若气泡不居中，则水准管轴处于倾斜位置。

图2-7 水准管外形

水准管上2mm间隔的弧长所对的圆心角称为水准管分划值，一般用τ表示。水准管的分划值即是气泡每移动一格时，水准管轴所倾斜的角度值。即为

τ=2/R·ρ （2-7）

式中 τ——水准管分划值，（″）；

R——水准管圆弧半径，单位为mm；

ρ——弧度的秒值，ρ=206265″。

水准管分划值的大小反映了仪器整平精度的高低。由式（2-7）可以看出，分划值与圆弧半径成反比，半径愈大，分划值愈小，整平的精度愈高，气泡移动也愈灵活。所以一般把水准气泡移动至最高点的能力，称为水准器的灵敏度。当然灵敏度还与水准管内壁面的研磨质量、气泡长度、液体性质和温度有关。灵敏度愈高，使气泡居中也愈费时间。因此，仪器上的水准管灵敏度要与仪器的精度相匹配。DS₃型水准仪水准管分划值一般为20″/2mm。

图2-8 符合水准器

图2-9 圆水准器

水准仪上的管水准器与望远镜固定在一起，而管水准器的管水准器轴与望远镜的视准轴是相互平行的，因此，为了得到一条水平视线，只需转动望远镜目镜端下面的微倾螺旋，使管水准器气泡居中，视线就水平了。为了提高水准管气泡居中的精度，目前水准仪多采用符合水准器，符合水准器就是在水准管上方设置一组符合棱镜，当气泡两端的半边影像经过三次反射后，其影像反映在望远镜的符合水准器的放大镜内，若气泡不居中，气泡两半边影像错开，如图2-8a所示，当转动微倾螺旋使气泡两半边的影像吻合时，气泡完全居中，如图2-8b所示。

2.圆水准器

圆水准器是一个密封的顶面内磨成球面的玻璃圆盘，如图2-9所示。球面中央刻有小圆圈，圆圈中心为零点，零点与球心的连线为圆水准器轴。当气泡位于圆内最高位置，即气泡中心与圆水准器零点重合时，气泡居中，圆水准器轴处于铅垂位置。当圆水准器轴偏离零点2mm时，其轴线所倾斜的角度值称为圆水准器分划值。DS₃型水准仪上的圆水准器分划值一般为（8′/2mm）～（10′/2mm），灵敏度较低，整平精度较差，所以，圆水准器只能用于仪器的粗略整平。

2.2.1.3 基座

基座起支撑仪器和连接仪器与三脚架的作用，由轴座、底版、三角压板及三个脚螺旋组成。转动三个脚螺旋可使水准器气泡居中。

2.2.2 水准尺

水准尺是与水准仪配合进行水准测量的重要工具，水准尺质量好坏直接影响水准测量的观测成果，因此水准尺常选用干燥且伸缩性小的优质木材或者玻璃钢制成。常用的有双面水准尺和塔尺两种，如图2-10所示为两种水准尺外形。

双面水准尺一般尺长为3m，如图2-10a所示，尺面每隔1cm涂以黑白或红白相间的分格，每分米处注有数字。两根尺为一对，其中黑白分划的一面称黑面尺，尺底从零开始。红白分划的一面称红面尺，尺底从某一数值开始（4687mm和4787mm），称零点差。水准仪的水平视线在同一根水准尺上的红黑面读数差应为零点差，以此作为读数的检查。尺子底面钉有铁片，以防磨损。为使水准尺更精确地处于竖直位置，多数水准尺的侧面装有圆水准器。

塔尺长一般为5m，如图2-10b所示，分3节套接而成，可以伸缩，尺底从零起算，尺面分划值为1cm或0.5cm，米和分米处注有数字，大于1m的数字注记加注红点或黑点，点的个数表示米数。塔尺携带方便，但在连接处稳定性较差，仅适用于精度比较低的普通水准测量。

2.2.3 尺垫

尺垫用生铁铸成，呈三角形，上面有一突出的半圆球，半圆球的顶点作为转点标志，如图2-11所示，使用时将尺垫下面的三个尖脚插入土中使其稳固。在连续水准测量中，为防止水准尺下沉导致高程发生变化，除在已知点和待求点不放置尺垫外，在各转点上的水准尺底部都应放置尺垫。

图2-10 两种水准尺

图2-11 尺垫