第二節　水準測量的儀器和工具

水準儀的類型很多，我國按其精度指標劃分為DS05、DS1、DS3和DS10四個等級，D和S分別為“大地測量”和“水準儀”漢語拼音的第一個字母，字母后的數字05、1、3、10等指用該類型水準儀進行水準測量時每千米往、返測高差中數的偶然中誤差值，分別不超過±0.5mm、±1mm、±3mm、±10mm。一般可省略“D”只寫“S”。DS05、DS1為精密水準儀，主要用于國家一、二等精密水準測量和精密工程測量，DS3主要用于國家三、四等水準測量和常規工程測量，工程測量中常用的是DS3型水準儀，常稱為DS3微傾式水準儀。

一、DS3型微傾式水準儀

如圖2-4所示是我國生產的DS3型微傾式水準儀。它是通過調整水準儀的微傾螺旋使管水準氣泡居中而獲得水平視線的一種儀器設備。DS3型微傾式水準儀主要由望遠鏡、水準器和基座三個部分組成，現分述如下。

1.望遠鏡

望遠鏡是構成水平視線、瞄準目標并對水準尺進行讀數的主要部件。根據在目鏡端觀察到的物體成像情況，望遠鏡可分為正像望遠鏡和倒像望遠鏡。如圖2-5所示為倒像望遠鏡的結構圖，它由物鏡、物鏡調焦透鏡、十字絲分劃板、目鏡等組成。物鏡光心與十字絲交點的連線稱為望遠鏡的視準軸，視準軸是瞄準目標和讀數的依據。

目前微傾式水準儀上的望遠鏡多采用內對光式的倒像望遠鏡，其成像原理如圖2-6所示。目標AB發出的光線經過物鏡和物鏡調焦透鏡的作用在鏡筒內構成倒立的小實像ab，轉動物鏡調焦螺旋時，物鏡調焦透鏡隨之前后移動，使遠近不同的目標清晰地成像在十字絲分劃板上；再經過目鏡放大，使倒立的小實像放大成為倒立的大虛像a'b'，同時十字絲分劃板也被放大。

經望遠鏡放大的虛像與眼睛直接看到的目標大小的比值，稱為望遠鏡的放大率，通常用V=β/α表示。《城市測量規范》（CJJ/T 8—2011）規定，DS3型水準儀的望遠鏡放大率一般不低于28倍。

十字絲分劃板是一塊圓形平板玻璃，上面刻有相互正交的十字絲，如圖2-5（b）和圖2-7所示為十字絲分劃板的幾種形式。縱絲（也叫豎絲）用來照準水準尺，橫絲（又叫中絲）的中間用來讀取讀數。與橫絲平行而等距的上下兩根短細線，稱為視距絲，用于測量距離。調節目鏡調焦螺旋，可使十字絲成像清晰。

【例2-5】　水準儀照準水準尺后，在目鏡中看到的物像不清晰，應該調節（　　）。　　（物鏡調焦螺旋）

【例2-6】　望遠鏡十字絲交點和物鏡光心的連線，稱為（　　）。　　（視準軸）

2.水準器

水準器是用來判斷望遠鏡的視準軸是否水平及儀器豎軸是否豎直的裝置。通常分為管水準器和圓水準器兩種。

（1）管水準器　管水準器是一個兩端封閉的玻璃管，外形如圖2-8（a）所示。管的內壁研磨成7～20m半徑的圓弧，管內裝滿黏滯性小、易流動的液體（酒精或乙醚），加熱封閉冷卻后便形成氣泡。由于氣體比液體輕，因此，無論水準管處于水平或是傾斜位置，氣泡總處在管內圓弧的最高位置。

水準管壁的兩端各刻有數條間隔為2mm的分劃線，用來判斷氣泡居中位置，如圖2-8（b）所示。分劃線的對稱中心O即為水準管圓弧的中點，也稱為水準管零點。過零點與水準管內圓弧相切的直線LL稱為水準管軸。當氣泡中點與水準管零點重合時稱為氣泡居中，這時水準管軸LL一定處于水平位置。

水準管上2mm間隔的弧長所對的圓心角稱為水準管分劃值，一般用τ表示，即

　　（2-7）

式中　τ——水準管分劃值，（″）；

R——水準管內圓弧半徑，mm；

ρ——弧度的秒值，ρ=206265″。

水準管分劃值與內圓弧半徑成反比，半徑越大，分劃值越小，整平的精度越高，氣泡移動也越靈活。所以一般把水準氣泡移動至最高點的能力，稱為水準器的靈敏度。另外靈敏度還與水準管內壁面的研磨質量、氣泡長度、液體性質和溫度有關。靈敏度越高，使氣泡居中也越費時間。因此，儀器上的水準管靈敏度要與儀器的精度相匹配。DS3型水準儀水準管分劃值一般為20″。

為了提高水準管氣泡居中的精度，DS3型水準儀在水準管上方安置一組符合棱鏡，當氣泡兩端的半邊影像經過三次反射后，其影像反映在望遠鏡的符合水準器的放大鏡內，若氣泡不居中，氣泡兩端半邊影像錯開，當轉動微傾螺旋使氣泡兩端半邊的影像吻合時，氣泡完全居中，如圖2-9所示。

【例2-7】　甲水準儀管水準器分劃值為30″，乙水準儀管水準器分劃值為20″，則兩臺儀器的整平精度乙（　　）甲。　　（高于）

【例2-8】　在水準儀上，調節水準儀符合水準器的螺旋是（　　）。　　（微傾螺旋）

【例2-9】　水準測量中，管水準氣泡居中的目的是（　　）。

　　（使視準軸水平）

（2）圓水準器　圓水準器是一個密封的頂面內壁磨成球面的玻璃圓盒，如圖2-10所示。球面中央刻有小圓圈，圓圈中心為零點，零點與球心的連線為圓水準器軸。當氣泡中心與圓水準器零點重合時，氣泡居中，圓水準器軸處于鉛垂位置。當圓水準器軸偏離零點2mm時，其軸線所傾斜的角值稱為圓水準器分劃值。τ一般為8'～10'，因其靈敏度較低，整平精度較差，所以，圓水準器只能用于粗略整平儀器。

【例2-10】　圓水準器軸與儀器豎軸的幾何關系為（　　）。　　（互相平行）

3.基座

基座起支撐儀器和連接儀器與三腳架的作用，由軸座、底板、三角壓板及三個腳螺旋組成。轉動三個腳螺旋可使水準器氣泡居中。

二、水準尺及附件

水準尺是與水準儀配合進行水準測量的重要工具。常用優質木材或玻璃鋼、金屬材料制成，長度從2～5m不等，根據構造可以分為直尺（雙面水準尺）、折尺和塔尺三種，如圖2-11所示。

直尺（雙面水準尺）多用于三、四等水準測量，一般尺長為3m，如圖2-11所示，尺面每隔1cm涂以黑白或紅白相間的分格，每分米處皆注有數字。尺子底面釘有鐵片，以防磨損。涂黑白相間分格的一面稱為黑面尺，另一面為紅白相間，稱為紅面尺。在水準測量中，水準尺必須成對使用。每對雙面水準尺其黑面尺底部的起始數均為零，而紅面尺底部的起始數分別為4687mm和4787mm。兩把尺紅面注記的零點差為0.1m，為使水準尺更精確地處于豎直位置，多數水準尺的側面裝有圓水準器。

折尺長一般為3m，折疊處為1.5m，尺面分劃值為1cm或0.5cm。因連接處穩定性較差，僅適用于普通水準測量和地形測量。

塔尺長一般為5m，分3節套接而成，可以伸縮，尺底從零起算，尺面分劃值為1cm或0.5cm。因塔尺連接處穩定性較差，僅適用于普通水準測量。

尺墊如圖2-12所示，用生鐵鑄成，一般為三角形，中央有一突出的半圓球，水準尺立于半圓球頂部；下有三個尖腳可以插入土中，尺墊通常用于轉點上，使用時應踩穩固。