2.3　水准测量的仪器和工具

水准测量使用的仪器是水准仪，另外配合使用的工具还有水准尺和尺垫。

2.3.1　水准仪的基本构造

水准仪是进行水准测量的主要仪器，它可以提供水准测量所必需的水平视线。目前通用的水准仪从构造上可分为：利用水准管来获得水平视线的“微倾式水准仪”；利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”。此外，还有一种新型水准仪——电子水准仪，它配合条纹编码尺，利用数字化图像处理的方法，可自动显示高程和距离，使水准测量实现了自动化。

我国的水准仪系列标准分为DS₀₅、DS₁、DS₃和DS₁₀四个等级。“D”“S”分别是“大地”“水准仪”汉语拼音的首字母。下标数字表示仪器每千米水准测量的精度，以mm计。其中DS₀₅和DS₁用于精密水准测量，DS₃用于普通水准测量，DS₁₀则用于简易水准测量。本节主要介绍DS₃微倾式水准仪的基本构造（图2-3）。

DS₃微倾式水准仪由下列3个主要部分组成：①望远镜，用以提供视线，并可读出远处水准尺上的读数；②水准器，用于指示仪器或视线是否处于水平位置；③基座，用于置平仪器，它支承仪器的上部并能使仪器的上部在水平方向转动。

水准仪各部分的名称见图2-3。基座上有3个脚螺旋，调节脚螺旋可使圆水准器的气泡移至中央，使仪器粗略整平。望远镜和管水准器与仪器的竖轴联结成一体，竖轴插入基座的轴套内，可使望远镜和管水准器在基座上绕竖轴旋转。制动螺旋和微动螺旋用来控制望远镜在水平方向的转动。制动螺旋松开时，望远镜能自由旋转；旋紧时望远镜则固定不动。旋转微动螺旋可使望远镜在水平方向作缓慢的转动，但只有在制动螺旋旋紧时，微动螺旋才能起作用。旋转微倾螺旋可使望远镜连同管水准器作俯仰微量的倾斜，从而可使视线精确整平。

2.3.1.1　望远镜

望远镜具有成像和扩大视角的功能，其作用是看清不同远近距离的目标和提供照准目标的视线。望远镜由物镜、调焦透镜、十字丝分划板、目镜等组成。物镜、调焦透镜、目镜为复合透镜组，分别安装在镜筒的前、中、后三个部位，三者与光轴组成一个等效光学系统。转动调焦螺旋，调焦透镜沿光轴前后移动，改变等效焦距，看清远近不同的目标。物镜的作用是使物体在物镜的另一侧构成一个倒立的实像，目镜的作用是使这一实像在同一侧形成一个放大的虚像（图2-4）。为了使物像清晰并消除单透镜的一些缺陷，物镜和目镜都是用两种不同材料的透镜组合而成（图2-5）。

测量仪器的望远镜还必须有一个十字丝分划板，它是刻在平板玻璃片上的一组十字丝，被安装在望远镜筒内靠近目镜的一端。中间一条横丝称为中横丝或中丝，上、下对称平行中丝的短线称为上丝和下丝，统称为视距丝，用来测量距离。竖向的线称为竖丝或纵丝。水准仪上十字丝如图2-6所示，水准测量中用它中间的横丝或楔形丝读取水准尺上的读数。十字丝交点和物镜光心的连线称为视准轴，用C-C表示，为望远镜照准线。是水准仪的主要轴线之一。

为了能准确地照准目标或读数，望远镜内必须同时能看到清晰的物像和十字丝。为此必须使物像落在十字丝分划板平面上。为了使离仪器不同距离的目标能成像于十字丝分划板平面上，望远镜内还必须安装一个调焦透镜（图2-5）。观测不同距离处的目标，可旋转调焦螺旋改变调焦透镜的位置，从而能在望远镜内清晰地看到十字丝和所要观测的目标。现代水准仪在调焦透镜后装有一个正像棱镜（如阿贝棱镜等），通过棱镜反射，看到的目标影像为正像。这种望远镜称为正像望远镜。

2.3.1.2　水准器

水准器是用来衡量视准轴C-C是否水平、仪器旋转轴（竖轴）是否铅垂的装置，是置平仪器的重要部件，分为管水准器和圆水准器两种。

（1）管水准器，又称水准管，是一个封闭的玻璃管，管的内壁在纵向磨成圆弧形，其半径可自0.2m至100m。管内盛酒精或乙醚或两者混合的液体，并留有一气泡（图2-7）。管面上刻有间隔为2mm的分划线，分划的中点称水准管的零点。过零点与管内壁在纵向相切的直线称水准管轴。当气泡的中心点与零点重合时，称气泡居中，气泡居中时水准管轴位于水平位置。

水准管上一格（2mm）所对应的圆心角称为水准管的分划值。根据几何关系可以看出，分划值也是气泡移动一格水准管轴所变动的角值（图2-8）。水准仪上水准管的分划值为10″～20″，水准管的分划值越小，视线置平的精度越高，但水准管的置平精度还与水准管的研磨质量、液体的性质和气泡的长度有关。在这些因素的综合影响下，使气泡移动0.1格时水准管轴所变动的角值称水准管的灵敏度。能够被气泡的移动反映出水准管轴变动的角值越小，水准管的灵敏度就越高。

为了提高气泡居中的精度，在水准管的上面安装一套棱镜组（图2-9），使两端各有半个气泡的像被反射到一起，当气泡居中时，两端气泡的像就能符合。故这种水准器称为符合水准器，是微倾式水准仪上普遍采用的水准器。

（2）圆水准器是一个封闭的圆形玻璃容器，顶盖的内表面为一球面，半径可自0.12m至0.86m，容器内盛乙醚类液体，留有一小圆气泡（图2-10）。容器顶盖中央刻有一小圈，小圈的中心是圆水准器的零点。通过零点的球面法线是圆水准器的轴，当圆水准器的气泡居中时，圆水准器的轴位于铅垂位置。圆水准器的分划值，是顶盖球面上2mm弧长所对应的圆心角值，水准仪上圆水准器的角值为8'～10'。

2.3.1.3　基座

基座呈三角形，主要由轴座、脚螺旋和底板组成。基座由轴座、脚螺旋和连接板组成。仪器上部结构通过竖轴插入轴座中，由轴座支承，用三个脚螺旋与连接板连接。整个仪器用中心连接螺旋固定在三脚架上，作用是支撑仪器的上部。脚螺旋用于调节圆水准器气泡居中。底板通过连接螺旋与下部三脚架连接。

2.3.2　水准尺和尺垫

水准尺用优质木材或铝合金制成，又称标尺，分为直尺和塔尺两种（图2-11），长度有3m和5m两种。直尺一般用不易变形的干燥优质木材制成，塔尺一般用玻璃钢、铝合金或优质木材制成。

塔尺携带方便，但接合处容易产生误差，直尺比较坚固可靠。水准尺尺面绘有1cm或5mm黑白相间的分格，米和分米处注有数字。为了便于倒像望远镜读数，注的数字常倒写。双面水准尺一面为黑白相间，称为黑面，另一面为红白相间，称为红面，每两根为一对。两根双面尺的黑面尺底都以零开始，而红面的尺底从常数K开始，称为零点常数，分别为4.687m和4.787m配合使用。这样有利于检核读数，供红黑面高差检核之用。

尺垫是用于转点上的一种工具，用钢板或铸铁制成（图2-12），呈三角形，下方有三个尖脚，上方中央有一突出半球体。使用时把三个尖脚踩入土中，把水准尺立在突出的圆顶上。尺垫放置于转点，可使转点稳固、防止水准尺下沉。

2.3.3　微倾式水准仪的使用

使用水准仪应能做到准确、迅速地在水准尺上读取读数。通过具体操作，理论联系实际，使之加深对仪器三大组成部分（望远镜、水准器、基座）功能性认识，达到正确熟练使用仪器的目的。在适当位置安置水准仪，整平视线后读取水准尺上的读数。微倾式水准仪的操作应按下列步骤和方法进行。

（1）安置水准仪

旋松脚架腿三个伸缩固定螺旋，抽出活动腿至适当高度（大致与肩平齐），拧紧固定螺旋；张开架腿使脚尖呈等边三角形，摆动一架腿（圆周运动）使架头大致水平，踏实脚架。然后将仪器用中心连接螺旋固定在脚架上，并使基座连接板三边与架头三边对齐。在斜坡上安置仪器时，首先打开三脚架，根据观测者的身高调节架腿长度，使架头大致水平并牢固稳妥，在山坡上应使三脚架的两脚在坡下，一脚在坡上。然后打开仪器盒，取出水准仪用连接螺旋连接到三脚架上，取水准仪时必须握住仪器的坚固部位，并确认牢固地联结在三脚架上后方可松手。

（2）仪器的粗略整平

仪器的粗略整平是用脚螺旋使圆水准器的气泡居中。先用任意两个脚螺旋使气泡移到通过圆水准器零点并垂直于这两个脚螺旋连线的方向上，如图2-13中气泡自a移到b，如此可使仪器在这两个脚螺旋连线的方向处于水平位置。然后单独用第三个脚螺旋使气泡居中，如此使原两个脚螺旋连线的垂线方向亦处于水平位置，从而使整个仪器置平。如仍有偏差可按上述步骤反复进行操作，直至仪器转至任一方向气泡均居中为止。操作时必须记住以下三条技术要领：①先旋转两个脚螺旋，然后旋转第三个脚螺旋；②旋转两个脚螺旋时必须相对或相反地转动；③气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致，因此称为左手定则。

（3）照准目标

利用望远镜上的缺门和准星从外部瞄准目标，水平制动望远镜，然后进行目镜和物镜调焦，使十字丝和尺像清晰，并落在十字丝平面上，最后用微动螺旋使十字丝竖丝照准水准尺。为了便于读数，也可使尺像稍偏离竖丝一些。当照准不同距离处的水准尺时，需重新调节调焦螺旋才能使尺像清晰，但十字丝可不必再调。

照准目标后读数时，发现当眼睛上下移动，尺像与十字丝有相对移动的现象，即读数有改变，这种现象称为视差，其原因是水准尺的影像与十字丝影像不共面，两者的影像不能同时看清［图2-14（a）、（b）］。存在视差时不可能得出准确的读数，因此必须要消除视差。消除视差的方法是反复、仔细地进行目镜、物镜对光，直到不再出现尺像和十字丝有相对移动为止，即尺像与十字丝分划板在同一平面上［图2-14（c）］。视差对瞄准、读数均有影响，务必加以消除。

（4）精确整平

为了得到精确的水平视线，因此在每次读数前还必须用微倾螺旋使水准管气泡符合，使视线精确整平。由于微倾螺旋旋转时，会改变望远镜和竖轴的关系，当望远镜由一个方向转变到另一个方向时，水准管气泡一般不再符合。所以望远镜每次变动方向后，也就是在每次读数前，都需要用微倾螺旋重新使气泡符合。

（5）读数

用望远镜十字丝的中横丝读取水准尺的读数。从尺上可直接读出m、dm和cm，并估读出mm，每个读数必须4位齐全。如果某一位数是零，也必须读出并记录，不可省略，如1.402m、0.037m、1.500m等。读数时，水准尺的影像无论倒字还是正字，一律按照从望远镜内读数时应从小数往大数读，读足4位，不要漏0［图2-15（a）、（b）］。读数前应先认清水准尺的分划特点，特别应注意与注字相对应的dm分划线的位置。为了保证得出正确的水平视线读数，在读数前后都应该检查气泡是否符合。精平后应马上读数，速度要快，以减少气泡移动引起读数误差。

（6）扶尺

水准尺左右倾斜容易在望远镜中发现，可及时纠正。当水准尺前后倾斜时，观测员难以发现，导致读数偏大。所以扶尺员应站在尺后，双手握住把手，两臂紧贴身躯，借助尺上水准器将尺铅直立在测点上。使用尺垫时，应事先将尺垫踏紧，将尺立在半球顶端。使用塔尺时，要防止尺段下滑造成读数错误。

（7）搬站

搬站时，先检查仪器中心连接螺旋是否可靠，将脚螺旋调至等高，然后收拢架腿，一手扶着基座，一手斜抱着架腿夹在腋下，安全搬站。如果地形复杂，应将仪器装箱搬站。严禁将仪器扛在肩上搬站，防止发生仪器事故。