微倾式水准仪结构简介

水准仪的作用是提供一条水平视线，能照准距水准仪一定距离处的水准尺并读取尺上的读数。通过调整水准仪，使管内水准器气泡居中获得水平视线的水准仪，称为微倾式水准仪；通过补偿器获得水平视线读数的水准仪，称为自动安平水准仪。本节主要介绍微倾式水准仪的结构。

图4-3 尺垫

1—尺垫 2—铁脚 3—半圆球 4—水准尺 5—提手

国产微倾式水准仪的型号有DS05、DS1、DS3、DS10，其中字母D、S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，字母后的数字表示以毫米为单位的、仪器每千米往返测高差中数的中误差。DS05、DS1、DS3、DS10水准仪每千米往返测高差中数的中误差，分别为±0.5mm、±1mm、±3mm、±10mm。

通常称DS05、DS1为精密水准仪，主要用于国家一、二等水准测量和精密工程测量；称DS3、DS10为普通水准仪，主要用于国家三、四等水准测量和常规工程建设测量。工程建设中，使用最多的是DS3微倾式水准仪，如图4-4所示。

图4-4DS3微倾式水准仪

1—准星 2—照门 3—物镜 4—物镜调焦螺旋 5—目镜 6—目镜调焦螺旋 7—管水准器 8—微倾螺旋 9—管水准器气泡观察窗 10—圆水准器 11—圆水准器校正螺旋 12—水平制动螺旋 13—水平微动螺旋 14—脚螺旋

1.微倾式水准仪的组成

水准仪主要由望远镜、水准器和基座组成。

（1）望远镜。望远镜用来照准远处竖立的水准尺并读取水准尺上的读数，要求望远镜能看清水准尺上的分划和注记并有读数标志。根据在目镜端观察到的物体成像情况，望远镜可分为正像望远镜和倒像望远镜。图4-5为倒像望远镜的结构图，它由物镜、调焦透镜、十字丝分划板和目镜组组成。

图4-5 倒像望远镜的结构

1—物镜 2—齿条 3—调焦齿轮 4—调焦镜座 5—物镜调焦螺旋 6—十字丝分划板 7—目镜组

（2）水准器。水准器用于置平仪器，有管水准器和圆水准器两种。

1）管水准器。管水准器由玻璃圆管制成，其内壁磨成一定半径R的圆弧，如图4-6所示。将管内注满酒精或乙醚，加热封闭冷却后，管内形成的空隙部分充满了液体的蒸气，称为水准器气泡。因为蒸气的相对密度小于液体，所以水准器气泡总是位于内圆弧的最高点。

管水准器内圆弧的中点O称为管水准器的零点，过零点作内圆弧的切线LL称为管水准器轴。当管水准器气泡居中时，管水准器轴LL处于水平位置。

图4-6 管水准器

在管水准器的外表面，对称于零点的左右两侧，刻划有2mm间隔的分划线。定义2mm弧长所对的圆心角为管水准器的分划值。

式（4-4）中，ρ″=206265″，为弧秒值，即1弧度等于206265″；R为以mm为单位的管水准器内圆弧的半径。

分划值τ″的几何意义为：当水准气泡移动2mm时，管水准器轴倾斜的角度为τ″。显然，R越大，τ″越小，管水准器的灵敏度越高，仪器置平的精度也越高，反之置平精度就低。

DS3水准仪管水准器的分划值为20″/2mm。

管水准器一般装在圆柱形、上面开有窗口的金属管内，用石膏固定。如图4-7所示，一端用球形支点A，另一端用四个校正螺旋将金属管连接在仪器上。用校正针拨动校正螺旋，可以使管水准器相对于支点A做升降或左右移动，从而使校正管水准器轴平行于望远镜的视准轴。

图4-7 管水准器的安装

2）圆水准器。圆水准器由玻璃圆柱管制成，其顶面内壁为磨成一定半径R的球面，中央刻有小圆圈，其圆心O为圆水准器的零点，过零点O的球面法线为圆水准器轴，如图4-8所示。当圆水准器气泡居中时，圆水准器轴处于竖直位置；当气泡不居中，气泡偏移零点2mm时，轴线所倾斜的角度值称为圆水准器的分划值，用τ′表示。τ′一般为8′～10′。圆水准器的τ′大于管水准器的τ″，它通常用于粗略整平仪器。

安置水准仪时，使圆水准器轴平行于仪器竖轴。旋转基座上的三个脚螺旋使圆水准器气泡居中时，圆水准器轴处于竖直位置，从而使仪器竖轴也处于竖直位置。

图4-8 圆水准器

（3）基座。基座的作用是支撑仪器的上部，用中心螺旋将基座连接到三脚架上。基座由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。

2.微倾式水准仪的检验和校正

（1）水准仪应满足的条件。根据水准测量原理，水准仪必须提供一条水平视线，才能正确地测出两点间的高差。为此，水准仪应满足的条件是：(www.xing528.com)

1）圆水准器轴L′L′应平行于仪器的竖轴VV。

2）十字丝的中丝（横丝）应垂直于仪器的竖轴。

3）如图4-9所示，水准管轴LL应平行于视准轴CC。

图4-9 微倾式水准仪

（2）检验与校正。上述水准仪应满足的各项条件，在仪器出厂时已经过检验与校正而得到满足，但由于仪器在长期使用和运输过程中受到振动与碰撞等影响，各轴线之间的关系发生变化，若不及时检验校正，将会影响测量成果的质量。所以，在水准测量之前，应对水准仪进行认真的检验和校正。检验校正的内容有以下三项：

1）圆水准器轴平行于仪器竖轴的检验与校正

①检验。如图4-10a所示，用脚螺旋使圆水准器气泡居中，此时圆水准器轴L′L′处于竖直位置。如果仪器竖轴VV与L′L′不平行，且交角为α，那么竖轴VV与竖直位置偏差α角。将仪器绕竖轴旋转180°，如图4-10b所示，圆水准器转到竖轴的左面，L′L′不但不竖直，而且与竖直线ll的交角为2α，显然气泡不再居中，而离开零点的弧长所对的圆心角为2α。这说明圆水准器轴L′L′不平行竖轴VV，需要校正。

图4-10 水准仪检验

②校正。如图4-10b所示，通过检验证明了L′L′不平行于VV，则应调整圆水准器下面的三个校正螺旋。圆水准器校正结构如图4-11所示。校正前应先少量松动中间的固定螺旋，然后调整三个校正螺旋，使气泡向居中位置移动偏离量的一半，如图4-12a所示。这时，圆水准器轴L′L′与VV平行。然后再用脚螺旋整平，使圆水准器气泡居中，竖轴VV则处于竖直状态，如图4-12b所示。校正工作一般都难以一次完成，需反复进行直至仪器旋转到任何位置圆水准器气泡皆居中时为止。最后应注意拧紧固定螺旋。

图4-11 圆水准器校正结构

图4-12 水准器校正

2）十字丝横丝垂直于仪器竖轴的检验与校正

①检验。安置仪器后，先将横丝一端对准一个明显的点状目标M，如图4-13a所示。然后固定制动螺旋，转动微动螺旋，如果标志点M不离开横丝，如图4-13b所示，则说明横丝垂直竖轴，不需要校正。否则，如图4-13c、d所示，则需要校正。

图4-13 十字丝横丝的检验与校正

②校正。校正方法因十字丝分划板座装置的形式不同而异。如图4-14所示，用螺钉旋具松开分划板座的固定螺旋，转动分划板座，改正偏离量的一半，即满足条件。也可以卸下目镜处的外罩，用螺钉旋具松开分划板座的固定螺旋，拨正分划板座。

3）视准轴平行于水准管轴的检验校正

①检验。如图4-15所示，在S₁处安置水准仪，从仪器向两侧各量约40m，定出等距离的A、B两点，打木桩或放置尺垫做好标志。

图4-14 分划板座固定螺旋

图4-15 管水准器轴平行于视准轴的检验

a.在S₁处用变动仪高（或双面尺）法，测出A、B两点的高差。若两次测得的高差的误差不超过3mm，则取其平均值h_AB作为最后结果。由于距离相等，两轴不平行导致的误差Δ_h可在高差计算中自动消除，故h值不受视准轴误差的影响。

b.安置仪器于B点附近的S₂处，距B点约3m，精平后读得B点水准尺上的读数为b₂，因仪器距B点很近，两轴不平行引起的读数误差可忽略不计。故根据b₂和A、B两点的正确高差h_AB算出A点尺上应有读数为

a₂=b₂+h_AB （4-5）

然后，瞄准A点水准尺，读出水平视线读数a₂′，如果a₂′与a₂相等，则说明两轴平行。否则存在i角，其值为

式（4-6）中，Δh=a₂′-a₂，ρ″=206265″。对于DS3微倾式水准仪，i值不得大于20″，如果超限，则需要校正。②校正。转动微倾螺旋使中丝对准A点尺上正确读数a₂，此时视准轴处于水平位置，但管水准器气泡必然偏离中心。为了使水准管轴也处于水平位置，达到视准轴平行于水准管轴的目的，可用拨针拨动水准管一端的上、下两个校正螺旋（4-16），使气泡的两个半像重合。在旋紧上、下两个校正螺旋前，应稍旋松左、右两个螺旋，校正完毕再旋紧。这项检验校正要反复进行，直至i角小于20″为止。

图4-16 微倾螺旋校正