认识高差测量的仪器与工具-建筑工程测量

高差测量的常用仪器为水准仪,工具为水准尺(塔尺或双面尺)和尺垫。水准仪是能够精确提供一条水平视线的仪器。水准仪按其精度可分为DS0.5、DS1、DS3和DS10四个等级。其中,D、S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母;数字0.5、1、3、10是指仪器的精度,即每千米往、返测高差中数的偶然中误差(毫米数)。DS0.5和DS1级水准仪称为精密水准仪,用于国家一、二等水准测量;DS3和DS10级水准仪称为普通水准仪,常用于国家三、四等水准测量或等外水准测量。下面介绍工程中广泛使用的DS3级微倾式水准仪的构造与使用方法。

1.3.1.1 水准仪的构造及水准测量工具

1.水准仪的构造

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,并能照准水准尺进行读数。因此,水准仪的构成主要有望远镜、水准器及基座三部分。图1-4所示为DS3级微倾式水准仪及其构造。

图1-4 DS3级微倾式水准仪及其构造

(1)望远镜。DS3微倾式级水准仪的望远镜主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板组成。物镜和目镜多采用复合透镜组,十字丝分划板上刻有两条互相垂直的长线,竖直的一条称为竖丝,横的一条称为中丝,是为了瞄准目标和读取读数用的。在中丝的上、下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线,是用来测定距离的,称为视距丝。十字丝分划板是由平板玻璃圆片制成的,平板玻璃圆片装在分划板座上,分划板座固定在望远镜筒上。望远镜的构造如图1-5所示。

图1-5 望远镜的构造

十字丝交点与物镜光心的连线,称为视准轴或视线。水准测量是在视准轴水平时,用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。

对光凹透镜可使不同距离的目标均能成像在十字丝平面上,再通过目镜,便可以看清楚同时放大了的十字丝和目标影像。从望远镜内所看到的目标影像的视角与肉眼直接观察该目标的视角之比,称为望远镜的放大率。DS3微倾式级水准仪望远镜的放大率一般为28倍。

(2)水准器。水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置,有圆水准器和管水准器两种。圆水准器用来指示竖轴是否竖直;管水准器用来指示视准轴是否水平。

1)圆水准器。圆水准器顶面的内壁是球面,其中有圆分划圈,圆圈的中心为圆水准器的零点。通过零点的球面法线为圆水准器轴线,当圆水准器气泡居中时,该轴线处于竖直位置,如图1-6所示。当气泡不居中时,气泡中心偏移零点2 mm,轴线所倾斜的角值,称为圆水准器的分划值,由于它的精度较低,故只用于仪器的概略整平。

图1-6 圆水准器

2)管水准器。管水准器又称水准管,是一纵向内壁磨成圆弧形的玻璃管,管内装有酒精和乙醚的混合液,加热融封冷却后留有一个气泡,由于气泡较轻,故恒处于管内最高位置,如图1-7所示。

图1-7 管水准器

水准管上一般刻有间隔为2 mm的分划线,分划线的中点O称为水准管零点。通过零点作水准管圆弧的切线,称为水准管轴。当水准管的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处于水平位置。水准管圆弧2 mm所对的圆心角称为水准管分划值。安装在DS3级微倾式水准仪上的水准管如图1-8所示,其分划值不大于20″/2 mm。

图1-8 水准管分划

DS3级微倾式水准仪在水准管的上方安装一组符合棱镜,通过符合棱镜的反射作用,使气泡两端的像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗中,如图1-9所示。若气泡两端的半像吻合,就表示气泡居中;若气泡两端的半像错开,则表示气泡不居中,这时,应转动微倾螺旋,使气泡两端的半像吻合。

图1-9 符合水准管

3)基座。基座的作用是连接螺旋使仪器的上部与三脚架连接。其主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。(www.xing528.com)

2.水准尺和尺垫

(1)水准尺是水准测量时使用的标尺。其质量好坏直接影响水准测量的精度。因此,水准尺需用不易变形且干燥的优质木材制成,要求尺长稳定,分划准确。常用的水准尺有塔尺和双面尺两种,如图1-10所示。塔尺多用于等外水准测量,其长度有2 m和5 m两种,用两节或三节套接在一起。尺的底部为零点,尺上黑、白格相间,每格宽度为1 cm,有的为0.5 cm,每一米和分米处均有注记。双面尺多用于三、四等水准测量。其长度有2 m和3 m两种,且两根尺为一对。尺的两面均有刻划,一面为红白相间称为红面尺;另一面为黑白相间称为黑面尺(也称主尺),两面的刻划均为1 cm,并在分米处注字。两根尺的黑面均由零开始;而红面,一根尺由4.687 m开始至6.687 m或7.687 m,另一根由4.787 m开始至6.787 m或7.787 m。

图1-10 水准尺

(a)塔尺;(b)双面尺

(2)尺垫是在转点处放置水准尺用的,用生铁铸成,一般为三角形,中央有一突起的半球体,下方有三个支脚,用时将支脚牢固地插入土中,以防止下沉,上方突起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用,如图1-11所示。

图1-11 尺垫

1.3.1.2 水准仪的使用

水准仪的基本操作程序包括安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精平与读数等操作步骤,分述如下。

1.安置仪器

打开三脚架并使高度适中,目估架头大致水平,检查三脚架腿是否安置稳固、三脚架伸缩螺旋是否拧紧,然后打开仪器箱取出水准仪,置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头上。需要注意的是,仪器安置位置最好与两点的水平距离相等(但不要求在两点的连线上)。

2.粗略整平

粗略整平是借助圆水准器的气泡居中,使仪器竖轴大致铅垂,从而视准轴粗略水平。在粗略整平的过程中,气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向一致,如图1-12所示。

图1-12 粗略整平过程

3.瞄准水准尺

首先进行目镜对光,即将望远镜对着明亮的背景,转动目镜对光螺旋,使十字丝清晰,再松开制动螺旋,转动望远镜,用望远镜筒上的准星瞄准水准尺,拧紧制动螺旋,然后从望远镜中观察;转动物镜对光螺旋进行对光,使目标清晰,再转动微动螺旋,使竖丝对准水准尺。

当眼睛在目镜端上下微微移动时,若发现十字丝与目标影像有相对运动,这种现象称为视差。产生视差的原因是目标成像的平面和十字丝平面不重合。视差的存在会影响读数的正确性,必须加以消除。消除的方法是重新仔细地进行物镜对光,直到眼睛上下移动时读数不变为止。此时,从目镜端见到的十字丝与目标的像都十分清晰。

4.精平与读数

眼睛通过位于目镜左方的符合气泡观察窗看水准管气泡,右手转动微倾螺旋,使气泡两端的半像吻合,即表示水准仪的视准轴已精确水平。这时,即可用十字丝的中丝在尺上读数。以前的水准仪多采用倒像望远镜,因此读数时应从小往大,即从上往下读,现在的水准仪一般都是正像望远镜,读数更方便。如图1-13所示,读数时,先估读毫米数,然后报出全部读数。

图1-13 视窗中水准尺读数

(a)读数0.825;(b)读数1.273

精平和读数虽是两项不同的操作步骤,但在水准测量的实施过程中,将两项操作视为一个整体,即精平后再读数,读数后还要检查水准管气泡是否完全符合。只有这样,才能取得准确的读数。