精密水準(zhǔn)儀介紹

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上§5.3 精密水準(zhǔn)儀與水準(zhǔn)尺5.3.1 精密水準(zhǔn)儀的構(gòu)造特點 對于精密水準(zhǔn)測量的精度而言，除一些外界因素的影響外，觀測儀器水準(zhǔn)儀在結(jié)構(gòu)上的精確性與可靠性是具有重要意義的。為此，對精密水準(zhǔn)儀必須具備的一些條件提出下列要求。 1.高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng) 為了在望遠(yuǎn)鏡中能獲得水準(zhǔn)標(biāo)尺上分劃線的清晰影像，望遠(yuǎn)鏡必須具有足夠的放大倍率和較大的物鏡孔徑。一般精密水準(zhǔn)儀的放大倍率應(yīng)大于40倍，物鏡的孔徑應(yīng)大于50mm。2.堅固穩(wěn)定的儀器結(jié)構(gòu) 儀器的結(jié)構(gòu)必須使視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸之間的聯(lián)系相對穩(wěn)定，不受外界條件的變化而改變它們之間的關(guān)系。一般精密水準(zhǔn)儀的主要構(gòu)件均用特殊的合金鋼制

2、成，并在儀器上套有起隔熱作用的防護罩。 3.高精度的測微器裝置 精密水準(zhǔn)儀必須有光學(xué)測微器裝置，借以精密測定小于水準(zhǔn)標(biāo)尺最小分劃線間格值的尾數(shù)，從而提高在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的讀數(shù)精度。一般精密水準(zhǔn)儀的光學(xué)測微器可以讀到0.lmm，估讀到0.Olmm。 4.高靈敏的管水準(zhǔn)器 一般精密水準(zhǔn)儀的管水準(zhǔn)器的格值為10"/2mm。由于水準(zhǔn)器的靈敏度愈高，觀測時要使水準(zhǔn)器氣泡迅速置中也就愈困難，為此，在精密水準(zhǔn)儀上必須有傾斜螺旋（又稱微傾螺旋）的裝置，借以可以使視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸同時產(chǎn)生微量變化，從而使水準(zhǔn)氣泡較為容易地精確置中以達(dá)到視準(zhǔn)軸的精確整平。表5-1 我國水準(zhǔn)儀系列及基本技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)項目水準(zhǔn)儀

3、系列型號S05S1S3S10每公里往返平均高差中誤差望遠(yuǎn)鏡放大率望遠(yuǎn)鏡有效孔徑管狀水準(zhǔn)器格值測微器有效量測范圍測微器最小分格值0.5mm40倍60mm10/2mm5mm0.1mm1mm40倍50mm10/2mm5mm0.1mm3mm30倍42mm20/mm10mm25倍35mm20/2mm自動安平水準(zhǔn)儀補償性能補償范圍安平精度安平時間不長于±8±0.12s±8±0.22s±8±0.52s±10±22s圖5-7 5.高性能的補償器裝置 對于自動安平水準(zhǔn)儀補償元件的質(zhì)量以及補償器裝置的精密度都可以影響補償器性能的可靠性

4、。如果補償器不能給出正確的補償量，或是補償不足，或是補償過量，都會影響精密水準(zhǔn)測量觀測成果的精度。 我國水準(zhǔn)儀系列按精度分類有S05型,S1型,S3型等。S是“水”字的漢語拼音第一個字母,S后面的數(shù)字表示每公里往返平均高差的偶然中誤差的毫米數(shù)。 我國水準(zhǔn)儀系列及基本技術(shù)參數(shù)列于表5-1。 5.3.2 精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的構(gòu)造特點 水準(zhǔn)標(biāo)尺是測定高差的長度標(biāo)準(zhǔn)，如果水準(zhǔn)標(biāo)尺的長度有誤差，則對精密水準(zhǔn)測量的觀測成果帶來系統(tǒng)性質(zhì)的誤差影響，為此，對精密水準(zhǔn)標(biāo)尺提出如下要求： （1）當(dāng)空氣的溫度和濕度發(fā)生變化時，水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃間的長度必須保持穩(wěn)定，或僅有微小的變化。一般精密水準(zhǔn)尺的分劃是漆在因瓦合金帶上，因瓦

5、合金帶則以一定的拉力引張在木質(zhì)尺身的溝槽中，這樣因瓦合金帶的長度不會受木質(zhì)尺身伸縮變形影響。水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的數(shù)字是注記在因瓦合金帶兩旁的木質(zhì)尺身上，如圖5-7（a）、（b）所示。 （2）水準(zhǔn)標(biāo)尺的分劃必須十分正確與精密，分劃的偶然誤差和系統(tǒng)誤差都應(yīng)很小。水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的偶然誤差和系統(tǒng)誤差的大小主要決定于分劃刻度工藝的水平，當(dāng)前精密水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的偶然中誤差一般在8llm。由于精密水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的系統(tǒng)誤差可以通過水準(zhǔn)標(biāo)尺的平均每米真長加以改正，所以分劃的偶然誤差代表水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的綜合精度。 （3）水準(zhǔn)標(biāo)尺在構(gòu)造上應(yīng)保證全長筆直，并且尺身不易發(fā)生長度和彎扭等變形。一般精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的木質(zhì)尺身均應(yīng)以經(jīng)過特殊處

6、理的優(yōu)質(zhì)木料制作。為了避免水準(zhǔn)標(biāo)尺在使用中尺身底部磨損而改變尺身的長度，在水準(zhǔn)標(biāo)尺的底面必須釘有堅固耐磨的金屬底板。圖5-8 在精密水準(zhǔn)測量作業(yè)時，水準(zhǔn)標(biāo)尺應(yīng)豎立于特制的具有一定重量的尺墊或尺樁上。尺墊和尺樁的形狀如圖5-8所示。 （4）在精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的尺身上應(yīng)附有圓水準(zhǔn)器裝置，作業(yè)時扶尺者借以使水準(zhǔn)標(biāo)尺保持在垂直位置。在尺身上一般還應(yīng)有扶尺環(huán)的裝置，以便扶尺者使水準(zhǔn)標(biāo)尺穩(wěn)定在垂直位置。圖5-9 （5）為了提高對水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的照準(zhǔn)精度，水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的形式和顏色與水準(zhǔn)標(biāo)尺的顏色相協(xié)調(diào)，一般精密水準(zhǔn)標(biāo)尺都為黑色線條分劃，如圖5-7所示，和淺黃色的尺面相配合，有利于觀測時對水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃精確照準(zhǔn)。 線

7、條分劃精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的分格值有l(wèi)0mm和5mm兩種。分格值為lOmm的精密水準(zhǔn)標(biāo)尺如圖5-7（a）所示，它有兩排分劃，尺面右邊一排分劃注記從0300cm，稱為基本分劃，左邊一排分劃注記從300600cm稱為輔助分劃，同一高度的基本分劃與輔助分劃讀數(shù)相差一個常數(shù)，稱為基輔差，通常又稱尺常數(shù)，水準(zhǔn)測量作業(yè)時可以用以檢查讀數(shù)的正確性。分格值為5mm的精密水準(zhǔn)尺如圖5-7（b）所示，它也有兩排分劃，但兩排分劃彼此錯開5mm ,所以實際上左邊是單數(shù)分劃，右邊是雙數(shù)分劃，也就是單數(shù)分劃和雙數(shù)分劃各占一排，而沒有輔助分劃。木質(zhì)尺面右邊注記的是米數(shù)，左邊注記的是分米數(shù)，整個注記從0.15.9m，實際分格值為5m

8、m，分劃注記比實際數(shù)值大了一倍，所以用這種水準(zhǔn)標(biāo)尺所測得的高差值必須除以2才是實際的高差值。 分格值為5mm的精密水準(zhǔn)標(biāo)尺，也有有一輔助分劃的。 與數(shù)字編碼水準(zhǔn)儀配套使用的條形碼水準(zhǔn)尺如圖5-9所示。通過數(shù)字編碼水準(zhǔn)儀的探測器來識別水準(zhǔn)尺上的條形碼，再經(jīng)過數(shù)字影像處理，給出水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)，取代了在水準(zhǔn)尺上的目視讀數(shù)。5.3.3 Wild N3精密水準(zhǔn)儀圖5-10WildN3精密水準(zhǔn)儀的外形如圖5-10所示。望遠(yuǎn)鏡物鏡的有效孔徑為50mm，放大倍率為40倍，管狀水準(zhǔn)器格值為10"/2mm。N3精密水準(zhǔn)儀與分格值為l0mm的精密因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺配套使用，標(biāo)尺的基輔差為301.55cm。在望遠(yuǎn)

9、鏡目鏡的左邊上下有兩個小目鏡（在圖5-10中沒有表示出來），它們是符合氣泡觀察目鏡和測微器讀數(shù)目鏡，在3個不同的目鏡中所見到的影像如圖5-11所示。 轉(zhuǎn)動傾斜螺旋，使符合氣泡觀察目鏡的水準(zhǔn)氣泡兩端符合，則視線精確水平，此時可轉(zhuǎn)動測微螺旋使望遠(yuǎn)鏡目鏡中看到的楔形絲夾準(zhǔn)水準(zhǔn)標(biāo)尺上的148分劃線，也就是使148分劃線平分楔角，再在測微器目鏡中讀出測微器讀數(shù)653(即6.53mm)，故水平視線在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的全部讀數(shù)為148.653cm。 1.N3精密水準(zhǔn)儀的傾料螺旋裝置 圖5-12所示是N3型精密水準(zhǔn)儀傾斜螺旋裝置及其作用示意圖。它是一種杠桿結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動傾斜螺旋時，通過著力點可以帶動支臂繞支點轉(zhuǎn)動，使其

10、對望遠(yuǎn)鏡的作用點產(chǎn)生微量升降，從而使望遠(yuǎn)鏡繞轉(zhuǎn)軸作微量傾斜。由于望遠(yuǎn)鏡與水準(zhǔn)器是緊密相聯(lián)的，于是傾斜螺旋的旋轉(zhuǎn)就可以使水準(zhǔn)軸和視準(zhǔn)軸同時產(chǎn)生微量的變化，借以迅速而精確地將視準(zhǔn)軸整平。在傾斜螺旋上一般附有分劃盤，可借助于固定指標(biāo)進(jìn)行讀數(shù)，由傾斜螺旋所轉(zhuǎn)動的格數(shù)可以確定視線傾角的微小變化量，其轉(zhuǎn)動范圍約為7周。借助于這種裝置，可以測定視準(zhǔn)軸微傾的角度值，在進(jìn)行跨越障礙物的精密水準(zhǔn)測量時具有重要作用。 圖5-11 圖5-12必須指出，由圖5-12可見儀器轉(zhuǎn)軸并不位于望遠(yuǎn)鏡的中心，而是位于靠近物鏡的一端。由圓水準(zhǔn)器整平儀器時，垂直軸并不能精確在垂直位置，可能偏離垂直位置較大。此時使用傾斜螺旋精確整平視

11、準(zhǔn)軸時，將會引起視準(zhǔn)軸高度的變化，傾斜螺旋轉(zhuǎn)動量愈大，視準(zhǔn)軸高度的變化也就愈大。如果前后視精確整平視準(zhǔn)軸時，傾斜螺旋的轉(zhuǎn)動量不等，就會在高差中帶來這種誤差的影響。因此，在實際作業(yè)中規(guī)定：只有在符合水準(zhǔn)氣泡兩端影像的分離量小于lcm時（這時儀器的垂直軸基本上在垂直位置），才允許使用傾斜螺旋來進(jìn)行精確整平視準(zhǔn)軸。但有些儀器轉(zhuǎn)軸的裝置，位于過望遠(yuǎn)鏡中心的垂直幾何軸線上。 2.N3精密水準(zhǔn)儀的測微器裝置 圖5-13是N3精密水準(zhǔn)儀的光學(xué)測微器的測微工作原理示意圖。由圖可見，光學(xué)測微器由平行玻璃板、測微器分劃尺、傳動桿和測微螺旋等部件組成。平行玻璃板傳動桿與測微分劃尺相連。測微分劃尺上有100個分格，它

12、與10mm相對應(yīng)，即每分格為0.lmm，可估讀至0.Olmm。每10格有較長分劃線并注記數(shù)字，每兩長分劃線間的格值為lmm。當(dāng)平行玻璃板與水平視線正交時，測微分劃尺上初始讀數(shù)為5mm。轉(zhuǎn)動測微螺旋時，傳動桿就帶動平行玻璃板相對于物鏡作前俯后仰，并同時帶動測微分劃尺作相應(yīng)的移動。平行玻璃板相對于物鏡作前俯后仰，水平視線就會向上或向下作平行移動。若逆轉(zhuǎn)測微螺旋，使平行玻璃板前俯到測微分劃尺移至10mm處，則水平視線向下平移5mm，反之，順轉(zhuǎn)測微螺旋使平行玻璃板后仰到測微分劃尺移至Omm處，則水平視線向上平移5mm。圖5-13 在圖5-13中，當(dāng)平行玻璃板與水平視線正交時，水準(zhǔn)標(biāo)尺上讀數(shù)應(yīng)為在兩相鄰

13、分劃148與149之間，此時測微分劃上讀數(shù)為5mm，而不是0。轉(zhuǎn)動測微螺旋，平行玻璃板作前俯，使水平視線向下平移與就近的148分劃重合，這時測微分劃尺上的讀數(shù)為6.50mm,而水平視線的平移量應(yīng)為6.505mm，最后讀數(shù)為=148cm+6.50mm-5mm即 =148.650cm-5mm 由上述可知，每次讀數(shù)中應(yīng)減去常數(shù)（初始讀數(shù)) 5mm,但因在水準(zhǔn)測量中計算高差時能自動抵消這個常數(shù)，所以在水準(zhǔn)測量作業(yè)時，讀數(shù)、記錄、計算過程中都可以不考慮這個常數(shù)。但在單向讀數(shù)時就必須減去這個初始讀數(shù)。 測微器的平行玻璃板安置在物鏡前面的望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)，如圖5-14所示。在平行玻璃板的前端，裝有一塊帶楔角的保護

14、玻璃，實質(zhì)上是一個光楔罩，它一方面可以防止塵土侵人望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)，另一方面光楔的轉(zhuǎn)動可使視準(zhǔn)軸傾角作微小的變化，借以精確地校正視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸的平行性。 近期生產(chǎn)的新N3精密水準(zhǔn)儀如圖5-15所示。望遠(yuǎn)鏡物鏡的有效孔徑為52mm，并有一個放大倍率為40的準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡，直立成像，能清晰地觀測到離物鏡0.3m處的水準(zhǔn)標(biāo)尺。圖5-14 圖5-15 光學(xué)平行玻璃板測微器可直接讀至0.lmm，估讀到0.Olmm。 校驗性微傾螺旋裝置可以用來測量微小的垂直角和傾斜度的變化。 儀器備選附件有自動準(zhǔn)直目鏡、激光目鏡、目鏡照明燈和折角目鏡等，利用這些附件可進(jìn)一步擴大儀器的應(yīng)用范圍，可用于精密高程控制測量、形變測量、沉陷

15、監(jiān)測、工業(yè)應(yīng)用等。5.3.4 Zeiss Ni 004精密水準(zhǔn)儀 Zeiss Ni 004精密水準(zhǔn)儀的外形如圖5-16所示。圖5-16 這種儀器的主要特點是對熱影響的感應(yīng)較小，即當(dāng)外界溫度變化時，水準(zhǔn)軸與視準(zhǔn)軸之間的交角的變化很小，這是因為望遠(yuǎn)鏡、管狀水準(zhǔn)器和平行玻璃板的傾斜設(shè)備等部件，都裝在一個附有絕熱層的金屬套筒內(nèi)，這樣就保證了水準(zhǔn)儀上這些部件的溫度迅速達(dá)到平衡。儀器物鏡的有效孔徑為56mm，望遠(yuǎn)鏡放大倍率為44倍，望遠(yuǎn)鏡目鏡視場內(nèi)有左右兩組楔形絲，如圖5-17所示，右邊一組楔形絲的交角較小，在視距較遠(yuǎn)時使用，左邊一組楔形絲的交角較大，在視距較近時使用，管狀水準(zhǔn)器格值為10/2mm。轉(zhuǎn)動測

16、微螺旋可使水平視線在10mm范圍內(nèi)平移，測微器的分劃鼓直接與測微螺旋相連（見圖5-17），通過放大鏡在測微鼓上進(jìn)行讀數(shù)，測微鼓上有100個分格，所以測微鼓最小格值為0.1mm。從望遠(yuǎn)鏡目鏡視場中所看到的影像如圖5-17所示，視場下部是水準(zhǔn)器的符合氣泡影像。Ni 004精密水準(zhǔn)儀與分格值為5mm的精密因瓦水準(zhǔn)尺配套使用。在圖5-17中，使用測微螺旋使楔形絲夾準(zhǔn)水準(zhǔn)標(biāo)尺上197分劃，在測微分劃鼓上的讀數(shù)為340，即3.40mm，水準(zhǔn)標(biāo)尺上的全部讀數(shù)為197.340cm。圖5-17 圖5-185.3.5 國產(chǎn)S1型精密水準(zhǔn)儀圖5-19 Sl型精密水準(zhǔn)儀是北京測繪儀器廠生產(chǎn)的，其外形如圖5-18所示。儀器物鏡的有效孔徑為50mm，望遠(yuǎn)鏡放大倍率