水准仪的认识与使用.

测绘地理信息技术专业教学资源库-1-微倾水准仪水准仪和水标标尺是水准测量的主要仪器。水准仪有微倾水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和数字水准仪等。水准标尺有普通水准标尺和精密水准标尺等。本节主要介绍微倾水准仪、自动安平水准仪和普通水准标尺。国产的水准仪系列有DS05、DS1、DS3、DS10等型号，其中“D”和“S”分别为“大地测量”和“水准仪”的汉语拼音第一个字母，05，1，3，10等是以毫米为单位的每km高差中数偶然中误差，通常在书写时省略字母“D”，直接写为S05、S1、S3等。1.DS3型微倾式水准仪的构造水准仪主要由照准部、基座和三脚架三部分组成。照准部主要由望远镜和管水准器组成，二者连为一体是水准测量的前提条件，在微倾螺旋作用下，二者可同时作微小倾斜，通过管水准器气泡居中达到视线水平的目的。照准部可绕垂直轴在水平方向上旋转，水平制动和水平微动螺旋可控制其左右转动，用以精确瞄准目标。使用仪器时，中心连接螺旋通过基座将仪器与三脚架头连接起来，支承在三脚架上，通过旋转基座上的脚螺旋，使圆水准器气泡居中，使仪器大致水平。三脚架可以伸缩、收张，为观测员架设仪器提供方便。图3-3是国产DS3型水准仪的外观。（1）望远镜望远镜由目镜、物镜、十字丝分划板、调焦（对光）螺旋，镜筒、照准器等组成。望远镜的作用是提供一条瞄准目标的视线，并将远处的目标放大，提高瞄准和读数的精度。望远镜按其调焦方1.微倾螺旋2.物镜调焦螺旋3.水平微动螺旋4.照准部制动螺旋5.圆水准器6.符合水准器7.符合水准器观察窗图3-3S3水准仪4123567测绘地理信息技术专业教学资源库-2-式的不同分为外对光望远镜和内对光望远镜两大类。外对光望远镜由于缺点较多，已被淘汰。望远镜的作用是提供一条瞄准目标的视线，并将远处的目标放大，提高瞄准和读数的精度。望远镜按其调焦方式的不同分为外对光望远镜和内对光望远镜两大类。外对光望远镜由于缺点较多，已被淘汰。现今生产的仪器都采用内对光望远镜。图3-4为内对光望远镜示意图。如图3-5，根据几何光学原理可知，目标经过物镜及对光透镜的作用，在十字丝附近成一倒立实像。由于目标离望远镜的远近不同，借转动对光螺旋使对光透镜在镜筒内前后移动，即可使其实像恰好落在十字丝平面上，再经过目镜的作用，将倒立的实像和十字丝同时放大，这时倒立的实像成为倒立而放大的虚像。其放大的虚像与用眼睛直接看到目标大小的比值，即为望远镜的放大率V。国产DS3型水准仪望远镜的放大率一般约为30倍。为使仪器精确照准目标和读数，在物镜筒内光阑出安装了一十字丝分划板。如图3-4（b）所示。所谓十字丝是刻在玻璃板上相互垂直的两条细线。竖直的一根十字丝称为纵丝（又称竖丝）。中间的一根十字丝称为横丝（又称中丝或水平丝）。横丝上、下对称的两根十字丝称为上、下丝，由于是用来测量距离的，因此又称为视距丝。把物镜光心和十字丝的连线称为望远镜的视准轴。视准轴是水准仪进行水准测量的关键轴线，是用来以瞄准和读数的视线。有时，往往像平面与十字丝面还没有严密重合就误认为调节好了，当观测者眼睛在目镜后左右晃动或上下晃动时，则目标像与十字丝发生相对变化，这种现象称为十字丝视差。测量作业中是不允许存在视差的。为了检查是否存在视差，可使眼睛在目镜后上下或左右稍微晃动，如十字丝的交点始终对着目标的同一位置或横丝对准尺子的刻划不变，则表示没有视差；如果发现十字丝与目标1物镜；2目镜；3物镜调焦透镜；4十字丝分划板；5物镜调焦螺旋；6目镜调焦螺旋图3-4内对光望远镜示意图图3-5望远镜成像原理测绘地理信息技术专业教学资源库-3-有相对移动，则说明有视差存在。为像平面与十字丝面不重合，当人眼位于目镜中间2处时，十字丝的交点O与物体的像点a重合；当眼睛略向上于1处时，O点又与b点重合；而眼睛向下于3处时，O点便与C点重合了。如果连续使眼睛的位置上下移动，好像看到物体的像在十字丝附近上下移动一样。消除视差的方法是：首先将望远镜对远方向明亮处，进行目镜调焦，使十字丝的分划线看得最清楚。然后再瞄准目标，用物镜对光螺旋使目标像也看得最清楚。要注意观测者的眼睛不要紧张，要始终处于松驰状态，防止眼球焦距变化。这样反复调l～2次，直到上下晃动眼睛时，十字丝与目标影响不发生相对移动为止。望远镜的性能由以下几个方面来衡量：(1)放大率：放大率是通过望远镜所看到物像的视角β与肉眼直接看物体的视角α之比，它近似地等于物镜焦距与目镜焦距之比。或等于物镜的有效孔径D与目镜的有效孔径d之比。即放大率为：dDffv目物(3-8)(2)分辨率：分辨率是望远镜能分辨出两个相邻物点的能力，用光线通过物镜后的最小视角来表示。当小于这最小视角时，在望远镜内就不能分辨出两个物点。分辨率可用下式表示：″140D(3-9)D为物镜的有效孔径以毫米计。(3)视场角：视场角是表示望远镜内所能看到的视野范围。这个范围是一个圆锥体，所以视场角用圆锥体的顶角来表示。视场角与放大率成反比。(4)亮度：亮度指通过望远镜所看到物体的明亮程度。它与物镜有效孔径的平方成正比，与放大率的平方成反比。从以上可以看出，望远镜的各项性能是相互制约的。例如增大放大率也增强了分辨率，可提高观测精度，但减小了视场角和亮度，不利于观测。所以测量仪器上望远镜的放大率有一定的限度，一般在20倍至45倍之间。（2）水准器水准器是水准仪获得水平视线的重要部件，是用一个内表面磨成圆弧的玻璃管制成。分为管水准器和圆水准器。1）圆水准器圆水准器是金属的圆柱形盒子与玻璃圆盖构成的，图3-6所示。玻璃圆盖的内表面是圆球面，其半径为0.5～2.0m，盒内图3-6圆水准器图3-7圆水准器轴测绘地理信息技术专业教学资源库-4-装酒精或乙醚，玻璃盖的中央有一小圆圈，其圆心即为圆水准器的零点，连接零点与球面球心的直线OC称为圆水准轴。当圆水准器气泡的中心与水准器的零点重合时，则圆水准轴即成竖直状态。圆水准器在构造上，使其轴线与外壳下表面正交，所以当圆水准轴竖直时，外壳下表面MN处于水平位置，如图3-7所示。由于圆水准器内表面的半径较短，所以用圆水准器来确定水平（或垂直）位置的精度较差。在实际作中，常将圆水准器作为概略整平之用。精度要求较高的整平，则用管水准器或符合水准器来进行。2）管水准器管水准器是用玻璃制成，其纵剖面方向的内表面为具有一定半径的圆弧，图3-8所示。灵敏度高的水准器的圆弧半径约为80～100m，最精确的可达200m。内表面琢磨后，将一端封闭，由开口的一端注入质轻而易流动的液体如酒精、氯化钾或乙醚等，装满后再加热使液体膨胀而排去一部分，然后将开口端封闭或用玻璃塞塞住，待液体冷却后，管内即形成了一个气体充塞的小空间，这个空间称为水准气泡。在管水准器上刻有2mm间隔的分划线。分划线与中间的S点成对称状态，如图3-6所示，S点称为水准管的零点，零点附近无分划，零点与圆弧相切的切线LL称为水准管的水准轴。根据气泡在管内占有最高位置的待性，当气泡中点位于管子的零点位置时，称气泡居中，也就是管子的零点最高时，水准轴成水平位置。气泡中点的精确位置依气泡两端相对称的分划线位置确定。气泡在水准器内移动快速度移动到最高点的能力称为灵敏度。水准器灵敏度的高低与水准器的分划值有关。水准器的分划值是指水准器上相临两分划线（2mm）间弧长所对应的圆心角值的大小，用τ表示。若圆弧的曲率半径为R（见图3-7），则分划值τ为：Rmm2（3-10）分划值与灵敏度的关系为：分划值大，灵敏度低；分划值小，灵敏度高。但水准管气泡的灵敏度愈高，气泡愈不稳定，使气泡居中所费用的时间愈长。所以水准器的灵敏度应与仪器的性能相适应。DS3型水准仪的圆水准器分划值为8´/mm，水准管分划值一般为20″／2mm。3）符合水准器当用眼睛直接观察水准气泡两端相对于分划线的位置以衡量气泡是否居中时，其精度受到眼睛的限制。为了提高水准器整平的精度，并便于观察，一般采用符合水准器。图3-8管水准器测绘地理信息技术专业教学资源库-5-符合水准器就是在水准管的上方安置一组棱镜，通过光学系统的反射和折射作用，把管气泡两端各一半的影像传递到望远镜内或目镜旁边的显微镜内，使观测者不移动位置便能看到水准器的符合影象。另外，由于气泡两端影象的偏离是将实际偏移值放大了一倍甚至许多倍，对于格值为10″以上的水准器，其安平精度可提高2～3倍。从而提高了水准器居中的精度。符合水准器的原理见图3-9，它是利用两块棱镜1、2，使气泡的a、b两端经过二次反射后，符合在一个视场内。两块棱镜1、2的接触线cc′成为气泡的界线，再经过棱镜3放大为人眼看到。这种水准器叫做符合水准器。3.基座基座的作用是支撑仪器的上部并与三脚架连接。它主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。自动安平水准仪用微倾水准仪观测时，首先要使圆水准器气泡概略居中，然后再用微倾螺旋使管水准器气泡精确居中，才能获得精确的水平视线。微倾水准仪的管水准器气泡居中的操作费时、费力，管水准器灵敏度越高，用时就越多，而且随着观测时间的延长、外界条件的变化，居中的管水准器气泡也可能发生变化，从而使测量产生误差，自动安平水准仪就是为克服这些缺点而生产的。由于自动安平水准仪可以自动补偿使仪器视线水平，所以在观测时只需将圆水准器气泡居中，十字丝中丝读取的标尺读数即为水平视线的读数。自动安平水准仪不仅加快了作业速度，而且能自动补偿对于地面的微小震动、仪器下沉、风力以及温度变化等外界因素影响引起的视线微小倾斜，从而保证测量精度。1．自动安平的原理如图3-8所示，照准轴水平时，照准轴指向标尺的a点，即a点的水平线与照准轴重合；当照准轴倾斜一个小角α时，照准轴指向标尺的a，而来自a点过物镜中心的水平线不再落在十字丝的水平丝上。自动安平就是在仪器的照准轴倾斜时，采取某种措施使通过物镜中心的水平光线仍然通过十字丝交点。图3-19符合水准器原理图3-9水准管示意图测绘地理信息技术专业教学资源库-6-通常有两种自动安平的方法：1）在光路中安置一个补偿器，在照准轴倾斜一个小角α时，使光线偏转一个β角，使来自a点过物镜中心的水平线落在十字丝的水平丝上。图3-10自动安平原理由于α、β均很小，应有fS式中，f为物镜的焦距，α为照准轴的倾斜角，β为补偿角，α、β均以弧度表示，则光线的补偿角为fS（3-11）2）使十字丝自动地与a点的水平线重合而获得正确读数，即使十字丝从B移动到B处，移动的距离为f。两种方法都达到了改正照准轴倾斜偏移量的目的。第一种方法要使光线偏转，需要在光路中加入光学部件，故称为光学补偿。第二种方法则是用机械方法使十字丝在照准轴倾斜时自动移动，故称为机械补偿。常用的仪器中采用光学补偿器的仪器较多。2．光学补偿器光学补偿器的主要部件是一个屋脊棱镜和两个由金属簧片悬挂的直角棱镜。如图3-11（a）所示，光线经第一个直角棱镜反射到屋脊棱镜，再经屋脊棱镜三次折射后到第二个直角棱镜，最后到达十字丝中心。当照准轴倾斜时，若补偿器不起作用，到达十字丝中心B的光线是倾斜的照准轴，而水平光线则到达A。补偿器照准轴倾斜水平光线fαSβaa'B'B水平光线倾斜的视准轴倾斜的视准轴(b)AB(a)BA水平光线图3-11补偿器补偿原理测绘地理信息技术专业教学资源库-7-由于两个直角棱镜是用簧片悬挂的，当照准轴倾斜时，悬挂的两个直角棱镜在重力的作用下自动反方向旋转，使水平光线仍然到达十字丝中心B，如图3-11（b）所示。自动安平水准仪的观测步骤与微倾水准仪相同，不同的是自动安平水准仪只需使圆水准器气泡居中即可。