2.2 水準測量儀器
2.2.1 水準測量的儀器
1.微傾式水準儀的基本構造
微傾式水準儀的基本構造如圖2-3所示，DS3型微傾式水準儀主要由望遠鏡、水準器和基座三部分組成。
圖2-3 DS3型微傾式水準儀
1—物鏡；2—物鏡調焦螺旋；3—水平微動螺旋；4—制動螺旋；5—微傾螺旋；6—腳螺旋；7—符合氣泡觀察鏡；8—水準管；9—圓水準器；10—校正螺絲；11—目鏡；12—準星；13—照門；14—基座
（1）望遠鏡。望遠鏡主要由物鏡、目鏡、物鏡調焦（對光）螺旋和十字絲分劃板組成，其作用是提供一條水平視線，精確照準水準尺進行讀數，如圖2-4所示。
圖2-4 望遠鏡
1—物鏡；2—目鏡；3—對光透鏡；4—物鏡對光螺旋；5—固定螺絲；6—十字絲分劃板
望遠鏡的物鏡和目鏡一般由復合透鏡組成。由于物鏡調焦構造不同，望遠鏡有外對光望遠鏡和內對光望遠鏡兩種，目前使用的多為內對光望遠鏡，該種望遠鏡的對光透鏡為凹透鏡，位于物鏡和目鏡之間。望遠鏡的對光是通過旋轉物鏡調焦螺旋，使調焦鏡在望遠鏡鏡筒內平移來實現的，其成像原理如圖2-5所示。
圖2-5 望遠鏡成像原理
1—物鏡；2—對光透鏡；3—十字絲分劃板；4—目鏡
目標AB經過物鏡后形成一個倒立且縮小的實像a′b′，移動對光透鏡可使不同距離的目標均能成像在十字絲平面上。通過目鏡的作用，可看到同時放大了的十字絲和目標影像ab。
如圖2-5所示，從望遠鏡內看到目標的像所對的視角為β，用肉眼看目標所對的視角可近似地認為是α，從望遠鏡內所看到的目標AB影像的視角與肉眼直接觀察該目標的視角之比，稱為望遠鏡的放大率，一般用v表示，則望遠鏡的放大率為：
DS3型微傾式水準儀望遠鏡的放大率一般為28倍左右。
如圖2-6所示，十字絲分劃板是一塊刻有分劃線的光學玻璃板。光學玻璃板上相互垂直的細線稱為十字絲，豎的一根稱為豎絲，橫的三根稱為橫絲，其中中間較長的一根橫絲稱為中絲，用來讀取水準尺上的讀數以計算高差；上下較短的兩根橫絲，分別稱為上絲和下絲，上、下絲又合稱視距絲，用來測定水準儀至水準尺的水平距離。十字絲交點與物鏡光心的連線，稱為視準軸。
圖2-6 十字絲分劃板
1—上絲；2—中絲；3—下絲；4—豎絲
（2）水準器。水準器是水準儀的整平裝置，分為管水準器和圓水準器兩種。管水準器用來判斷視準軸是否水平，圓水準器則用來判斷儀器豎軸是否豎直。
1）管水準器。管水準器又稱為水準管，是一個縱向內壁被磨成圓弧形的玻璃管。其內裝酒精和乙醚的混合物，經加熱密封冷卻，形成一氣泡，如圖2-7（a）所示。水準管圓弧內壁的最高點稱為水準管的零點，過零點與圓弧相切的直線稱為水準管軸。當氣泡的中心與零點重合時，稱為氣泡居中。為了便于判斷氣泡是否居中，在水準管的表面上，自零點向兩側每隔2mm刻有對稱的分劃線，一般根據氣泡的兩端是否與分劃線的對稱位置對齊，來判斷氣泡是否居中。水準管上，相鄰兩分劃線之間的弧長2mm所對應的圓心角，稱為水準管的分劃值，一般用τ來表示，如圖2-7（b）所示，則：
式中：τ——2mm弧長所對的圓心角；
ρ——ρ=206265″；
R——水準管圓弧半徑。
圖2-7 管水準器
水準管圓弧半徑越大，分劃值就越小，則水準管靈敏度就越高，也就是儀器整平的精度越高。DS3型微傾式水準儀的水準管分劃值一般為20″/2mm。
為了提高水準管氣泡居中的精度，DS3型微傾式水準儀都裝有符合棱鏡系統，借助符合棱鏡系統使水準管氣泡一側的兩端成像，使氣泡兩端的像反映在望遠鏡旁的符合氣泡觀察窗（鏡）中，由觀測者查看觀察窗中氣泡兩端的像對齊與否，來判斷氣泡是否居中，如圖2-8所示。若氣泡兩端的像對齊，則表示氣泡居中，水準管軸水平；否則表示氣泡不居中，這時可轉動微傾螺旋，使氣泡兩端的像對齊。
圖2-8 符合水準器
2）圓水準器。圓水準器是一個內壁被磨成球面的玻璃圓盒，同樣內裝酒精和乙醚的混合物，經加熱密封冷卻，形成一氣泡，如圖2-9所示。球面的最高點稱為圓水準器的零點，過零點和球心的連線，稱為圓水準器軸。當氣泡的中心與圓水準器的零點重合時，稱為氣泡居中。氣泡居中時，圓水準器軸豎直，則儀器豎軸亦處于豎直位置。在零點的周圍刻有圓形的分劃線，相鄰兩分劃線之間的弧長也是2mm，其所對應的圓心角，稱為圓水準器分劃值。
圖2-9 圓水準器
1—氣泡；2—圓水準器軸
DS3型微傾式水準儀的圓水準器分劃值一般為8′/2mm～10′/2mm，靈敏度較低，因此圓水準器只能用來粗略整平儀器。
（3）基座。基座主要由軸座、腳螺旋和連接板等組成。其作用是用來支撐儀器的上部，并通過連接螺旋使儀器與三腳架相連。調節基座上的三個腳螺旋可使圓水準器氣泡居中。
2.微傾式水準儀的基本操作
（1）安置儀器。撐開三腳架，根據觀測者的身高，調節三腳架的架腿高度，使高度適中；架頭大致水平，將三腳架的三個架腿踏牢，從儀器箱中取出水準儀，用腳架上的連接螺旋將水準儀固連在三腳架的架頭上。
（2）粗略整平。粗略整平是指調節基座上的三個腳螺旋使圓水準器的氣泡居中，從而使儀器豎軸豎直。具體操作如下：
1）轉動望遠鏡使其視準軸與1、2兩個腳螺旋的連線垂直，旋轉1、2兩個腳螺旋，使圓水準器氣泡移到1、2兩個腳螺旋連線的中間，如圖2-10（a）所示。旋轉腳螺旋時，1、2兩個腳螺旋的旋轉方向是相反的。
2）旋轉第3個腳螺旋，使圓水準器氣泡居中，如圖2-10（b）所示。
3）若發現氣泡仍然沒有居中，則需重復上述兩步操作，直至氣泡居中。
圖2-10 粗略整平
整平時，氣泡移動的方向與左手大拇指旋轉腳螺旋的方向是一致的。用雙手同時操作兩個腳螺旋時，應以左手大拇指的轉動方向為準，同時向內或向外旋轉。
（3）瞄準目標。
1）目鏡調焦。將望遠鏡對向明亮處，旋轉目鏡調焦螺旋使十字絲清晰。
2）粗略瞄準。轉動望遠鏡，利用望遠鏡筒上的照門和準星瞄準水準尺，擰緊制動螺旋。
3）物鏡調焦。旋轉物鏡調焦螺旋，使水準尺成像清晰。
4）精確瞄準。旋轉水平微動螺旋，使十字絲的豎絲瞄準水準尺的邊緣或中央。
5）消除視差。當物鏡調焦不夠精確時，水準尺的像并不能成在十字絲分劃板上，此時若觀測者的眼睛在目鏡端上下微動，就會發現十字絲橫絲與水準尺影像之間存在相對移動，這種現象稱為視差。如圖2-11（a）、（b）所示，當眼睛位于目鏡的中間時，十字絲交點的讀數為a；當眼睛向上或向下時，則會得到不同的讀數b或c。只有當水準尺的像與十字絲重合時，不論眼睛在任何位置，讀數均為a，如圖2-11（c）所示。在觀測中，當出現如圖2-11（a）、（b）所示的情況時，應繼續旋轉物鏡調焦螺旋，直至水準尺的像精確成在十字絲分劃板平面上，確保視差消除。
圖2-11 視差
1—水準尺的像；2—十字絲；3—水準尺的像與十字絲重合；4—眼睛
（4）精平與讀數。
1）精平。精平是指旋轉微傾螺旋使水準管氣泡居中，水準管軸水平，從而使視準軸水平。如圖2-12（a）所示，觀測者應注視符合氣泡觀察窗，轉動微傾螺旋，當水準管氣泡兩端的像對齊時，水準管軸水平，視準軸亦精確水平。
2）讀數。當水準儀精平后，應迅速用十字絲的中絲在水準尺上讀數。讀數時，應從小到大，即讀取米（m）、分米（dm）、厘米（cm）和毫米（mm）四位，其中毫米為估讀數；如圖2-12（b）所示，讀數為0.806m。讀完數后，還應檢查符合氣泡是否仍然居中，若氣泡偏離，則需轉動微傾螺旋使氣泡居中后重新讀數。
圖2-12 精平讀數