水準儀構(gòu)造及水準測量誤差簡介

1、水準儀構(gòu)造及水準測量誤差本文以DS3水準儀為例介紹水準儀構(gòu)造，并對精密、自動安平、電子水準儀做簡單介紹，另外還介紹了測量作業(yè)中常見的水準測量誤差及消減措施。1 常規(guī)水準儀的介紹水準測量所使用的儀器為水準儀，工具為水準尺和尺墊。水準儀的作用是提供一條水平視線。水準儀按其精度可分為DS05、DSl、DSZ2、DS3、DSZ3和DSl0等，字母和數(shù)字有何含義呢？字母DS代表“大地測量”和“水準儀”，取其第一個字母；數(shù)字表示精度，即每公里往返高差的中誤差，05表示每公里往返高差的中誤差0.5mm，10表示每公里往返高差的中誤差10mm，數(shù)字越小表示精度越高。按自動化程度分：微傾式、自動安平、電子水準儀

2、。DS1以上精度的水準儀稱為精密水準儀，主要用于一、二等高程控制測量中；DSZ2、DS3、DSZ3級水準儀或自動安平水準儀廣泛用于三、四等高程控制測量、圖根控制和工程測量中。1.1 DS3水準儀的結(jié)構(gòu)水準儀主要有望遠鏡、水準器及基座三部分組成（見圖1）。水準儀的結(jié)構(gòu)在測繪儀器中是比較簡單的，外部可操作的螺旋有制動螺旋、微動螺旋、微傾螺旋、調(diào)焦螺旋、腳螺旋、目鏡調(diào)焦螺旋等。圖1 水準儀結(jié)構(gòu)示意圖下面來看望遠鏡的結(jié)構(gòu)（1）望遠鏡 DS3水準儀望遠鏡主要由物鏡、物鏡調(diào)焦螺旋、調(diào)焦透鏡、十字絲分劃板、目鏡、目鏡調(diào)焦螺旋等組成。物鏡和目鏡多采用復合透鏡組，調(diào)焦透鏡為凹透鏡。（見下圖）這條水平線和豎直線是

3、相互垂直的，分別稱為橫（或中絲）和豎絲，豎絲用來瞄準目標的，橫絲用來讀數(shù)的。上下絲（稱為視距絲），是用來測定距離的。在這里，我們要掌握一個很重要的概念，視準軸CC物鏡中心與十字絲分劃板中心的連線。這條線不是實際存在的線，而是一條虛線。其重要性在于：水準測量是在視準軸水平時，用十字絲的中絲截取水準尺上的讀數(shù)。圖2 望遠鏡成像原理示意圖當觀測目標通過物鏡組后，形成一個倒立的縮小實像，調(diào)節(jié)物鏡調(diào)焦螺旋使縮小的實像清晰地反映在十字絲分劃板上，目鏡的作用是放大，人眼通過目鏡可以看到同時放大了的十字絲和目標影像。DS3的放大倍數(shù)（28）（從望遠鏡內(nèi)所看到的目標影像的視角與人眼直接觀察該目標的視角之比。）（

4、2）水準器：水準器是用來指示視線是否水平或儀器豎軸是否豎直的裝置。有圓水準器和管水準器兩種。圓水準器用來指示豎軸是否豎直；管水準器用來指示視準軸是否水平。圓水準器這是圓水準器(見圖3)，這是平面圖，這是剖面圖。圓水準器的內(nèi)壁是球面，中間有小圓圈，圓圈的中心就是圓水準器的零點。通過零點的球面法線為圓水準器軸線LL（見圖3）。當氣泡居中時，該軸線處于豎直位置。當氣泡中心偏移零點2mm，軸線所傾斜的角值，稱為圓水準器的分劃值。其分劃值為：810。由于它的精度較低，故只用于儀器的概略整平。圖3 圓水準器示意圖管水準器 又稱水準管（見圖4）。里面固裝了酒精和乙醚的混合液而成氣泡。由于氣泡較輕，所以處于管

5、內(nèi)最高位置。 圖4 管水準器示意圖這是水準管的平面圖，這是剖面圖。水準管上一般刻有間隔為2mm的分劃線，分劃線的中點稱為水準管零點。通過零點作水準管圓弧的切線，稱為水準管軸LL。當水準管的氣泡居中時，說明水準管軸處于水平位置。水準管圓弧2mm所對的圓心角稱為水準管分劃值，其分劃值不大于20”2mm。如圖，DS3微傾式水準儀的管水準器是安裝在儀器的側(cè)面，觀測起來不方面，這樣就難以保證其精度。為了提高水準管氣泡居中的精度，DS3微傾式水準儀采用符合水準管系統(tǒng)。也就是安裝一組符合棱鏡，通過反射作用，使氣泡兩端的像反映在符合氣泡觀察窗口中。若氣泡兩端的半像吻合成光滑的拋物線，就表示氣泡居中。若氣泡的半

6、像錯開，則表示氣泡不居中，這時，應轉(zhuǎn)動微傾螺旋，使氣泡的半像吻合?；?基座的作用是將儀器的上部并與三腳架連接。它主要由軸座、腳螺旋、底板和三角壓板構(gòu)成。腳螺旋的作用是整平儀器。1.2 水準儀的主要軸系及其關系水準儀的主要軸線包括如下幾個：視準軸CC、水準管軸LL、圓水準器軸LL、儀器豎軸VV。其必須滿足的幾何條件：（1）水準管軸視準軸 （通過調(diào)節(jié)符合水準器），因為視準軸是一條看不見的軸線，儀器廠家設置了水準軸平行視準軸，這樣一來，只要水準管軸水平了，則視準軸就水平了。若水準管軸與視準軸不平行則會產(chǎn)生i角誤差，可通過保持測站前后視距相等來消除。（2）圓水準器軸儀器豎軸 （通過調(diào)節(jié)圓水準器）與上

7、同樣道理。（3）十字絲橫絲儀器豎軸3.2.3、水準尺和尺墊 1.3 水準儀的水準尺及尺墊水準尺和尺墊是水準測量的工具。水準尺有木質(zhì)的和鋁合金材質(zhì)的，有塔尺、普通單面尺、雙面尺等。單面尺、塔尺多用于等外水準測量。尺的底部為零點，尺上黑白格或紅白格相間，每格寬度為1cm，有的為0.5cm，整10分米處有注記。雙面水準尺多用于三、四等水準測量。其長度一般為3m，且成對出現(xiàn)，分A和B尺。尺的兩面均有刻劃，一面為為黑白相間，稱黑面尺(也稱主尺)；另面紅白相間稱紅面尺(也稱輔尺)。A、B尺黑面03m; A尺紅面4.6877.687m, B尺紅面4.7877.787m。如何區(qū)分4687和4787呢？如果紅面

8、尺低端的第一個注記數(shù)字為47，則尺的起點為4687，尺的低端與第一個注記數(shù)字差13mm；同理，如果為48，則為4787.尺墊：尺墊是在轉(zhuǎn)點處放置水準尺用的，它用生鐵鑄成，一般為三角形，中央有一突起的半球體，下方有三個支腳。用時將支腳牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形頂點作為豎立水準尺和標志轉(zhuǎn)點之用。注意：已知高程點和待求高程點上不能放尺墊。 1.4 水準儀的使用 水準儀的使用包括儀器的安置、粗略整平、瞄準水準尺、精平和讀數(shù)等操作步驟。 （1）安置水準儀 在兩標尺的大致中間處安置儀器。操作步驟為：松開架腿蝶形螺旋，按需調(diào)整其高度，旋緊蝶形螺旋，打開三腳架，使其架頭大致水平，踩實架腿。打開

9、儀器箱（注意儀器的放置），取出儀器安置在架頭上，旋緊中心螺旋。（2）粗略整平粗略整平也稱為粗平，通過調(diào)節(jié)腳螺旋使圓水準器的氣泡居中。具體操作如下：調(diào)節(jié)1/2腳螺旋使氣泡運動到1/2腳螺旋的大致中垂線上調(diào)節(jié)第3個腳螺旋使氣泡居中調(diào)節(jié)第3個腳螺旋使氣泡居中反復以上操作，直至氣泡居中。在整平的過程中，氣泡的運動規(guī)律：氣泡的移動方向與左手大拇指運動的方向致。（3）瞄準水準尺目鏡調(diào)焦首先進行目鏡對光，即把望遠鏡對著明亮的背景，轉(zhuǎn)動目鏡對光螺旋，使十字絲清晰。粗瞄目標再松開制動螺旋，轉(zhuǎn)動望遠鏡，用望遠鏡筒上的照門和準星瞄準水準尺，擰緊制動螺旋。物鏡調(diào)焦然后從望遠鏡中觀察；轉(zhuǎn)動物鏡調(diào)焦螺旋使目標清晰。精瞄目

10、標再轉(zhuǎn)動微動螺旋，使豎絲對準水準尺眼睛在目鏡端上下微微移動，若發(fā)現(xiàn)十字絲與目標影像有相對運動的現(xiàn)象稱為視差，正如照相機照相時視野模糊一樣。那么，產(chǎn)生視差的原因是什么呢？主要是目標像沒有落在十字絲平面上，也就是說目標成像平面與十字絲平面不重合而產(chǎn)生的。由于視差的存在會影響到讀數(shù)的正確性，必須加以消除。消除的方法是仔細地進行物鏡對光，即反復調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦螺旋和物鏡調(diào)焦螺旋，直到眼睛上下移動，讀數(shù)不變?yōu)橹?。沒有視差的標志是目標像和十字絲都十分清晰。（4）精平與讀數(shù)此時，水準軸不一定水平。精平的目的是：使水準管氣泡居中，水準軸水平。那如何操作呢？眼睛觀察符合氣泡觀察窗口，轉(zhuǎn)動微傾螺旋，使氣泡像吻合，即表

11、示水準儀的視準軸已精確水平。這時，即可讀數(shù)（見圖5）?，F(xiàn)在的水準儀多采用倒像望遠鏡，因此讀數(shù)時應從小往大，即從上往下讀。先估讀毫米數(shù)，然后報出全部讀數(shù)。注意：每次讀數(shù)前必須精平，精平后立即讀數(shù)。圖5 微傾式水準儀符合氣泡示意圖2 精密、自動安平水準儀及電子水準儀2.1 精密水準儀精密水準儀（DS05、DS1）主要用于國家一、二等水準測量和高精度的工程測量中；例如建構(gòu)筑物的沉降觀測，大型橋梁工程的施工測量和大型精密設備安裝的水平基準測量等。（1）結(jié)構(gòu)精密水準儀與一般水準儀比較，其特點是能夠精密地整平視線和精確地讀取讀數(shù)。因此，在結(jié)構(gòu)上比DS3多了測微螺旋、測微器讀數(shù)鏡。（2）特點水準器具有較高的

12、靈敏度。如DS1水準儀的管水準器值為10/2mm。望遠鏡具有良好的光學性能。如DS1水準儀望遠鏡的放大倍數(shù)為38倍，望遠鏡的視場亮度較高。十字絲的中絲刻成楔形，能較精確地瞄準水準尺的分劃。具有光學（平板玻璃）測微器裝置?？芍苯幼x取0.1mm或0.05mm，估讀到0.01mm。提高讀數(shù)精度?？梢援a(chǎn)生的最大視線平移量為10mm，它對應測微尺上的100個分格。測微尺上1個分格等于0.1mm，如在測微尺上估讀到0.1分格，則可以估讀到0.01mm。視準軸與水準軸之間的聯(lián)系相對穩(wěn)定。精密水準儀均采用鋼構(gòu)件，并且密封起來，受溫度變化影響小。（3）標尺精密水準尺木質(zhì)的，中間挖槽嵌有一根銦瓦合金刻度尺，長度3

13、m?；o分劃：基本分劃的注記從零開始，輔助分劃的注記從某一常數(shù)K開始，K稱為基輔差（K=3.01550m）。（4）讀數(shù)方法精確整平后，轉(zhuǎn)動測微螺旋，使十字絲的楔形絲精確夾準某一整分劃線。讀數(shù)時，將整分劃值和測微器中的讀數(shù)合起來。由于自動安平水準儀的普及，這種老式的精密水準儀在實際的測量工作中已經(jīng)很少使用了。2.2 自動安平水準儀自動安平水準儀無水準管和微傾螺旋，只有一個圓水準器，安置儀器時，只要使圓水準器氣泡居中后，借助一種“補償器”的特別裝置，使視線自動處于水平狀態(tài)。（1）特點視準軸自動安平；提高水準測量精度；減少操作步驟，提高工作效率。（2）視線自動安平的原理當圓水準器氣泡居中后，視準軸仍

14、存在一個微小傾角，在望遠鏡的光路上安置了一個補償器，把它吊在屋脊棱鏡上。當望遠鏡傾斜時，直角棱鏡在重力的作用下，與望遠鏡反向偏轉(zhuǎn)，在阻尼器的作用下很快靜止，從而使視準軸水平。由于無需精平，這樣不僅可以縮短水準測量的觀測時間，而且對于施工場地地面的微小震動、松軟土地的儀器下沉以及大風吹刮等原因引起的視線微小傾斜，能迅速自動安平儀器，從而提高了水準測量的觀測精度。（2）自動安平水準儀的使用使用自動安平水準儀時，首先將圓水準器氣泡居中，然后瞄準水準尺，等待24秒后，即可進行讀數(shù)。有的自動安平水準儀配有一個補償器檢查按鈕，每次讀數(shù)前按一下該按鈕，確認補償器能正常工作，然后再讀數(shù)。2.3 電子水準儀簡介

15、2.3.1 電子水準儀的組成如圖6所示，這就是電子水準儀，和自動安平水準儀一樣具有圓準儀器、制動/微動螺旋、自動安平補償器、望遠鏡等。但是望遠鏡部分結(jié)構(gòu)要復雜得多，分光鏡（將由物鏡進入的復合光分為可見光和紅外光）、行陣探測器（識別水準尺上的條碼，進行讀數(shù)，有如超市購物的條碼掃描器）、調(diào)焦發(fā)送器（計算概略視距值）、補償監(jiān)視器（監(jiān)測安平補償器的工作狀態(tài)）。圖6 天寶DiNi電子水準儀2.3.2 電子水準儀特點（1）操作簡捷，具有自動安平、自動觀測和記錄，并立即用顯示測量結(jié)果。（2）整個觀測過程在幾秒鐘內(nèi)即可完成，從而大大減少觀測錯誤和誤差。（3）儀器還附有數(shù)據(jù)處理器及與之配套的軟件，從而可將觀測結(jié)

16、果輸入計算機后進行處理，實現(xiàn)測量工作自動化和流水線作業(yè)，大大提高功效。（4）必須配備條形碼標尺。2.3.3 電子水準儀的使用觀測時，電子水準儀在人工完成安置與粗平、瞄準目標（條形編碼水準尺）后，按下測量鍵后約34秒就顯示出測量結(jié)果。其測量結(jié)果可貯存在電子水準儀內(nèi)或通過電纜連接存入機內(nèi)記錄器中。另外，觀測中如水準標尺條形編碼被局部遮擋30，仍可進行觀測。2.4 光學水準儀與電子水準儀的應用由于電子水準儀的工作效率較高且測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量較為穩(wěn)定，目前一、二等水準等精密水準測量一般使用電子水準儀進行測量；精密光學水準儀和自動安平光學水準儀一般用于三、四等水準測量和等外水準測量（如施工高程放樣和施工斷面

17、測量）。3 水準測量的誤差及消減方法3.1 儀器誤差（1）水準儀的誤差有視準軸與水準管軸不平行的誤差，望遠鏡調(diào)焦時運行誤差，可使前后視距相等加以消除。（2）水準尺誤差包括水準尺尺長誤差、刻劃誤差及零點差等。一般可成對使用并使測站數(shù)為偶數(shù)站來減弱或消除其影響。3.2 光學水準儀i角檢驗校正3.2.1 水準儀i角誤差產(chǎn)生的原因由于儀器制造的原因或者水準儀在使用及運輸過程中受到震動或觸碰導致儀器的視準軸與水準管軸不平行，使得觀測時的視線與水平面形成一個夾角，這個夾角稱之為i角，其引起的測量誤差稱為i角誤差。水準測量前要對水準儀進行i角檢驗，超過限差要求時必須校正后方可使用，且之后須定期進行檢驗校正。

18、不同精度水準儀的i角限差不同，且電子水準儀的i角限差較大，本文僅對討論光學水準儀i角限差要求。其中DS05及以上8，DS110，DSZ2、DSZ3及DS312，超過限差須先進行校正，校正合格方可使用。3.2.2 水準儀i角檢驗校正方法光學水準儀檢驗一般采用中間距離法，具體方法及過程如表1所示。表1 水準儀i角檢驗表 如表1所示，當儀器架設在AB延長線上時，為便于進行校正，儀器距離B點的距離約5米。若檢驗得到的i角為正值，視準軸向上傾斜；反之，視準軸向下傾斜。儀器架設在AB中間時，i角誤差的影響已消除，測得的高差可視為準確值；而由于儀器架設在AB延長線上時距離B點很近，i角對B點水準尺的上的讀數(shù)

19、造成的誤差很小，可暫時忽略，根據(jù)儀器架設在中間測得的高差及儀器架設在AB延長線上B點的讀數(shù)可計算出水準儀i角誤差為0時A點的理論讀數(shù)，扭開目鏡的外蓋，使用校正針調(diào)教上下的校正螺絲，使A點的讀數(shù)為。重復進行以上檢驗校正，進行校正結(jié)果復核，以保證校正無誤。3.3 觀測誤差（1）水準管氣泡居中誤差其誤差為儀器整平時產(chǎn)生的誤差。（2）讀數(shù)誤差與人眼分辨能力、望遠鏡放大率及視線長度有關。（3）水準尺傾斜誤差使讀數(shù)增大，觀測時須豎直尺，避免誤差。3.4 外界條件影響產(chǎn)生的誤差（1）儀器下沉（踩緊腳架、減少觀測時間）（2）尺墊下沉（尺墊踩實、往返測取中數(shù)）（3）地球曲率和大氣折光（前后視距相等可消除）（4）大氣溫度和風力（打傘遮陽、選擇好的天氣）3.5 自動安平水準儀和數(shù)字水準儀的誤差因自動安平水準儀和數(shù)字水準儀的結(jié)構(gòu)尤其獨特性