水准仪的检验和校正(专科版)

根据水准测量的原理，水准仪必须能提供一条水平视线，才能正确地测出两点间的高差，从而由已知点高程推求未知点高程。水准仪出厂时各轴线间所具有的几何关系是经过严格检校的，确保仪器能提供一条水平视线，使仪器处于正常状态；但由于仪器在长期使用和运输过程中受到震动等原因，各轴线间之间的关系发生变化，使仪器处于非正常使用状态；因此，为了确保仪器观测数据的准确，我国现行建筑法规规定，仪器首次使用之前以及仪器首次进入施工现场之前必须进行检定，两次检定时间间隔不能超过国家规定的强制检定周期。水准仪的强制检定周期为一年。【背景资料：国家测绘局《测绘计量管理暂行办法》国测国字〔1996〕24号第十三条规定，“测绘计量器具（用于直接或间接传递量值的测绘工作用仪器、仪表和器具），必须经周期检定合格，才能用于测绘生产。未经检定、检定不合格或超过检定周期的测绘计量器具，不得使用”。“在测绘计量器具检定周期内，可由使用者依据仪器使用状况自行检校”。“教学示范用测绘计量器具可以免检，但须向省级测绘主管部门登记，并不得用于测绘生产。”“检验、校正”与”检定”的区别：“检验、校正”是指使用者对仪器的检查，发现问题进行校正使之满足应有的技术要求；“检定”是指由国家法定检测部门对计量器具的检验和校正，并对合格仪器发放检定合格证明文件等。】下面我们介绍水准仪的检验、校正方法。水准仪检验就是查明仪器各轴线是否满足应有的几何条件，只有这样水准仪才能真正提供一条水平视线，正确地测定两点间的高差。如果不满足几何条件，且超出规定的范围，则应进行仪器校正，所以校正的目的是使仪器各轴线满足应有的几何条件。此外，水准仪还设置了一个便于操作的圆水准器，利用它使水准仪初步安平。水准仪的主要轴线见图1。一、水准仪应满足的条件1、两个主要条件：一是水准管的水准轴应与望远镜的视准轴平行(微倾式水准仪)／水平视线与望远镜的视准轴平行(自动安平水准仪DSZ)；二是望远镜的视准轴不因调焦而变动位置。图1水准仪的检验和校正(专科版)2/72、两个次要条件：一是圆水准器的水准轴应与水准仪的旋转轴(竖轴)平行；二是十字丝的横丝应当垂直于仪器的旋转轴(竖轴)。第一个主要条件的要求如果不满足，那末水准测量时水准管气泡居中后，即水准轴已经水平，而视准轴却未水平，不符合水准测量基本原理的要求。因此，必须严格检校。第二个主要条件是为满足第一个条件而提出的。如果望远镜在调焦时视准轴位置发生变动，就不能保证所有视线都能够与一条固定不变的水准管轴平行。在水准测量中望远镜的调焦是绝不可免的，因此必须提出此项要求。第一个次要条件的目的在于能迅速地安置好仪器，提高作业速度。也就是当圆水准器的气泡居中时，仪器的旋转轴已处于竖直的状态，使仪器旋转至任何位置都易于导致水准管气泡的居中。第二个次要条件的目的是当仪器旋转轴已经竖直，那末在水准尺上的读数可以不必严格用十字丝的交点而可以用交点附近的横丝。二、水准仪的检验与校正上述第二个主要条件，在于装置望远镜的透镜组和十字丝的位置是否正确，其中又以移动调焦透镜的机械结构的质量为主要因素，因此一般由厂方保证。对用于国家三、四等及普通水准测量的水准仪，应经常检验第一个主要条件和两个次要条件。对用于国家一、二等水准测量的精密水准仪尚应定期对第二个主要条件进行检验。本节只讲述第一个主要条件和两个次要条件的检验原理、检验和校正方法。检验、校正的顺序应按下述原则进行：前面检验的项目不受后面检验项目的影响。（一）圆水准器的水准轴应与仪器的旋转轴【竖轴】平行的检脸与校正图2水准仪的检验和校正(专科版)3/71、检验原理图2所示，设圆水准轴L'L'不平行于竖轴VV，两者的夹角为α，当转动脚螺旋使圆气泡居中时，则圆水准轴L'L'处于铅垂方向，但竖轴VV倾斜了一个α角，如图2(a)所示。当仪器绕竖轴旋转180°后，竖轴仍处于倾斜α角的位置，水准器中的液体受重力的作用，气泡将恒处于最高处，而圆水准轴转到竖轴的另一侧，但与竖轴VV的夹角α不变，这样圆水准轴L'L'相对于铅垂方向就倾斜了2倍的α角度，如图2(b)所示，此时圆气泡偏离圆心（零点）的弧长所对的圆心角为2α，因为仪器竖轴相对于铅垂方向倾斜α角，所以此时调节脚螺旋使圆气泡向中心移动偏离值一半的距离时竖轴即处于铅垂位置，如图2(c)所示，然后再拨动圆水准器校正螺丝校正另一半偏离值，使气泡居中，从而使圆水准轴也处于铅垂位置，达到圆水准轴L'L'平行于竖轴VV的目的，如图2(d)。2、检验方法安置水准仪后，先用脚螺旋将圆水准器气泡居中，然后将仪器旋转180°，若气泡仍在居中位置，则表明此项条件满足，不必校正。若圆气泡偏离了中心，则表明该几何条件不满足，需要进行校正。根据上述检验原理可知，气泡偏移的长度代表了仪器旋转轴(竖轴)和水准轴的交角的两倍。3、校正仪器旋转180°后气泡位置发生偏离，如图3(a)，此时水准仪不动，旋转脚螺旋，使圆气泡向圆水准器中心方向移动偏离值的一半，如图3(b)粗线圆圈处，然后用校正针先稍松动一下圆水准器底下中间一个大一点的固定螺丝(如图4所示)，再分别拨动圆水准器底下的三个校正螺丝，使圆气泡居中，如图3(c)。校正完毕后，应记住把中间一个连接固定螺丝再旋紧。当望远镜瞄准任何方向气泡始终居中时，说明水准轴应与旋转轴已平行，校正工作完成。校正一般需要反复进行几次，直至仪器旋转到任何位置圆水准气泡都居中为止。对于自动安平的水准仪，此时其补偿器已处于正常工作范围内。图3图4水准仪的检验和校正(专科版)4/7（二）十字丝横丝应与仪器旋转轴【竖轴】垂直的检验与校正1、检验原理设十字丝横丝已与仪器旋转轴垂直，那末必有一个过十字丝横丝的平面与仪器旋转轴垂直。当仪器旋转轴竖直而旋转时，这个平面将在水平位置且不会发生变化(具有微倾螺旋的水准仪，其视准轴并不一定垂直于仪器旋转轴，但与垂直于仪器旋转轴平面的偏差角却不会太大，因此可以认为视准轴是垂直于仪器旋转轴的)。当仪器旋转轴铅垂时，十字丝横丝应水平，则用横丝的不同部分在水准尺上的读数应该是相同的。如果十字丝横丝与视准轴组成的平面垂直于仪器旋转轴，则条件得到满足；反之，若此平面不垂直于仪器旋转轴，那末条件就不满足，需要校正。当此项误差不明显时，一般可不进行校正，因为施测时总是利用横丝的中央部分读数。2、检验方法安置整平仪器后，先用十字丝横丝的一端瞄准一个点A，如图5(a)所示，然后固定制动螺旋，用水平微动螺旋缓慢地转动望远镜，观察A点在视场中的移动轨迹。如果A点始终不离开横丝，则说明十字丝的横丝垂直于仪器旋转轴，不需要校正；否则需要校正，如图5(b)所示，说明横丝没有和仪器旋转轴垂直，而是这条虚线的位置与仪器旋转轴垂直。3、校正校正方法因十字丝装置的形式不同而异。如图5(c)所示，对装置了十字丝分划板座的水准仪，松开十字丝分划板座的固定螺丝，转动十字丝分划板座，让横丝与图5(b)中所示的虚线重合或平行即可。由于这条虚线是A点在视场中的移动轨迹，并没有一个实在的线划，所以转动十字丝分划板座的方向是转向A点，转动度数凭估计进行。对如图5(d)所示的形式，需旋下目镜端的十字丝环外罩，用螺丝刀松开十字丝环的四个固定螺丝，按中丝倾斜的反方向小心地转动十字丝环，直至中丝图5水准仪的检验和校正(专科版)5/7xstgixsi(公式1)，因此有ixs(公式2)。180360020626557.35717'44.8水平，再重复检验，最后固紧十字丝环的固定螺丝，旋上十字丝环外罩。（三）望远镜视准轴与水准管的水准轴平行的检验与校正(微倾式水准仪)／水平视线与望远镜的视准轴平行(自动安平水准仪DSZ视线水平度)望远镜视准轴和水准管水准轴如果它们互相平行，则水准轴水平后，视准轴也是水平的，满足水准测量基本原理的要求，否则需要校正。1、检验原理与方法设水准管轴不平行于视准轴，它们在竖直面内投影之夹角为i，称为i角误差，如图6所示(设DA=s)。当水准管气泡居中时，视准轴相对于水平线方向向上（有时向下）倾斜了i角，则视线（视准轴）在尺上读数偏差，一般i角都甚小，根据圆心角与弧长的关系有，【注：弧长等于圆半径的圆弧所对的圆心角称为一个弧度。1弧度角度换算为秒数值：】随着水准尺离开水准仪愈远，由此引起的读数误差也愈大。当水准仪至水准尺的前后视距相等时，即使存在i角误差，因在两根水准尺上读数的偏差x相等，则所求高差不受影响。前后视距的差距增大，则i角误差对高差的影响也会随之增大。基于这种分析，提出如下检验方法：①在相对平坦的场地上，选择相距约60～80m的A、B两点，并打下木桩(或安放尺垫），并在A、B两点中间处选择一点E，且使DA=DB。②将水准仪安置于E点处，由于距离相等，视准轴与水准轴不平行所产生的高差误差可消除，故hAB不受视准轴误差的影响。用两次仪器高法测定A、B两点高差hAB，若两次测得高差之差不超过3mm，则取平均值作为最后结果。图6水准仪的检验和校正(专科版)6/7③将水准仪设置在靠近B点约距3m处F点(A、B两点内、外侧均可），精平仪器后，瞄准B点水准尺，读数为b2；再瞄准A点水准尺，读数为a2，则A、B间高差h'AB为：h'AB=a2-b2。若h'AB=hAB，则表明水准管轴平行于视准轴，几何条件满足。若h'AB≠hAB，则按下述公式计算i角秒值：根据国家现行《工程测量规范》GB50026-93第3.2.2条规定，水准仪i角绝对值：DS1型不应超过15、DS3型不应超过20，否则需要进行校正。2、校正方法校正工作应紧接着检验工作进行，即不要搬动水准仪，先算出视线在A尺(远尺)上的正确读数a'2=b2+hAB(因仪器离B点很近，两轴不平行引起的读数误差可忽略不计)。当A尺上的实测读数a2＞a'2时，说明视线向上倾斜；反之向下倾斜。①对微倾式水准仪，用微倾螺旋使读数(十字丝横丝)对准a'2，此时附合水准管气泡将不再居中，但视线已处于水平位置。用校正针拨动位于目镜端的水准管上、下两个校正螺丝，如图7所示，使附合水准气泡严密居中。此时，水准管轴也处于水平位置，达到了水准管轴平行于视准轴的要求。校正时，应先稍松动左右两个校正螺丝，再根据气泡偏离情况，遵循“先松后紧”规则，拨动上、下两个校正螺丝，使符合气泡居中，校正完毕后，再重新固紧左右两个校正螺丝。此项检验与校正往往重复进行多次，直至符合规范要求为止。②对自动安平水准仪，视线校正可通过分划板微量移动加以校正，旋开护盖、调整螺钉，直至十字丝横丝位于计算出的A尺(远尺)正确读数a'2为止。图7•ABABAFh'-hi=D(公式3)水准仪的检验和校正(专科版)7/7ABABAFih'-h=DABABAFih'-h=D附：快速判断检测结果是否合格速算方法根据水准仪i角限差DS1型不应超过15、DS3型不应超过20的规定，依公式：反算，差值的合格限差见下表。据i角限差速算h'AB-hAB限差举例表i角限差仪器安置在离近尺3m处，h'AB-hAB最大可以不校正的限差值仪器至远尺距离(两点连线内侧)仪器至远尺距离(两点连线外侧)≤15(DS1)80-3=77(m)5.60(mm)80+3=83(m)6.04(mm)60-3=57(m)4.14(mm)60+3=63(m)4.58(mm)≤20(DS3)80-3=77(m)7.47(mm)80+3=83(m)8.05(mm)60-3=57(m)5.53(mm)60+3=63(m)6.11(mm)林乐胜2004年11月