2.2 水准测量的仪器和工具
在水准测量中，使用的仪器主要有水准仪、水准尺和尺垫。
2.2.1 DS3型微倾水准仪
水准测量使用的仪器称为水准仪，水准仪全称为大地测量水准仪，按精度分为DS05、DS1、DS3、DS10等几个等级。D、S分别为“大地测量”、“水准仪”的汉语拼音第一个字母，下标数值表示仪器的精度，即每公里往返测高差中数的偶然中误差分别不超过0.5mm、1mm、3mm、10mm。DS05和DS1为精密水准仪，主要用于国家一等、二等水准测量和精密水准测量；DS3和DS10为普通水准仪，用于一般的工程建设测量和三等、四等水准测量。本章着重介绍DS3型水准仪。
图2.2是我国生产的DS3型水准仪的外貌和各部分名称。DS3型水准仪主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。
图2.2 DS3型微倾水准仪
1—准星；2—缺口；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
2.2.1.1 望远镜
望远镜的作用是提供一条照准目标的视线，主要用于照准目标并在水准尺上读数，如图2.2所示。望远镜是由物镜、目镜、十字丝分划板、物镜调焦螺旋及目镜调焦螺旋组成。望远镜具有一定的放大倍数。DS3型水准仪望远镜的放大率一般不低于28倍。根据调焦方式不同，望远镜又分为外调焦望远镜和内调焦望远镜两种，现在使用的大多是内调焦望远镜。
物镜和目镜多采用复合透镜组，十字丝分划板上面刻有相互垂直的细线，称为十字丝。如图2.3所示，中间横的一条称为中丝（或横丝），与中丝平行的上、下两根短丝，一根称为上丝，一根称为下丝，统称为视距丝，用来测量仪器和目标之间的距离。
十字丝交点与物镜光心的连线称为视准轴。视准轴是水准测量中用来读数的视线。图2.4是望远镜构造图。
图2.3 十字丝分划板
图2.4 望远镜构造
2.2.1.2 水准器
水准器是用来衡量视准轴是否水平或仪器竖轴是否铅直的装置。水准器有水准管（又称为管水准器）和圆水准器两种。水准管是用来指示视准轴是否水平；圆水准器是用来指示竖轴是否竖直。
1.水准管
水准管也称为管水准器，是纵向内壁琢磨成圆弧形的封闭玻璃管，管内装满酒精和乙醚的混合液，装满后封闭加热玻璃管，待其冷却后，在管内就形成一个小气泡。由于气体比液体轻，所以气泡总是在最高点，如图2.5所示。
图2.5 水准管
水准管圆弧形表面上刻有2mm间隔的分划线，分划线的中心O是水准管圆弧的中点，称为水准管的零点。通过零点与圆弧相切的直线LL，称为水准管轴。当气泡中心与零点重合时，称气泡居中，这时水准管轴LL一定处于水平位置。若气泡不居中，则水准管轴处于倾斜位置。
水准管上2mm的弧长所对的圆心角值称为水准管分划值，一般用τ表示。水准管的分划值即是气泡每移动一格时，水准管轴所倾斜的角值，即
水准管分划值的大小反映了仪器整平精度的高低。由式（2.5）可以看出：水准管半径愈大，分划值愈小，灵敏度（整平仪器的精度）就越高，灵敏度愈高，使仪器居中也愈费时。DS3型水准仪的水准管分划值为20″/2mm。
图2.6 符合水准器影像
图2.7 圆水准器
为了提高水准管气泡居中的精度，微倾式水准仪在水准管的上方安装一组符合棱镜，通过棱镜的反射作用，把气泡两端的影像折射到望远镜旁的观察窗内，如图2.6所示。当气泡两端的影像吻合时，表示气泡居中，若两端影像错开，则表示气泡不居中，可转动微倾螺旋使气泡影像吻合。这种水准器称为符合水准器。
2.圆水准器
如图2.7所示，圆水准器是一封闭的玻璃圆盒，顶面的玻璃内表面研磨成球面，球面中央有一个圆圈。其圆心称为圆水准器的零点。零点与球心的连线，称为圆水准器轴。当气泡居中时，圆水准器轴就处于铅直位置。圆水准器的分划值是指气泡中心偏离零点2mm时轴线所倾斜的角值。DS3型水准仪圆水准器分划值一般为8′/2～10′/2mm。由于圆水准器顶面内壁曲率半径较小，灵敏度较低，只能用于仪器的粗略整平。
2.2.1.3 基座
基座是支撑仪器的上部并与三脚架连接，主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板组成。
2.2.2 DS3型自动安平水准仪
1.自动安平水准仪
自动安平水准仪也称为补偿器水准仪，是一种新型测量仪器，它的结构特点是没有水准管和微倾螺旋，而是利用自动安平补偿器代替水准管和微倾螺旋，自动获得视线水平时水准尺读数的一种水准仪。
用DS3微倾水准仪进行水准测量时，必须使用微倾螺旋使符合气泡居中才能获得水平视线，而自动安平水准仪没有水准管和微倾螺旋，是在望远镜的镜筒内安装了一个“自动补偿器”，用自动补偿器代替水准管，观测时，只需将仪器圆气泡居中，便可进行中丝读数。由于省略了“精平”过程，从而简化了操作，提高了观测速度。图2.8为天津欧波公司生产的DS30自动安平水准仪，各部件名称见图注。
图2.8 DS30自动安平水准仪
1—物镜；2—物镜调焦螺旋；3—粗瞄器；4—目镜调焦螺旋；5—目镜；6—圆水准器；
7—圆水准器校正螺丝；8—圆水准器反光镜；9—无限位微动螺旋；
10—补偿器检测按钮；11—水平度盘；12—脚螺旋
2.自动安平水准仪的基本原理
在自动安平水准仪的光学系统中，设置了一个自动安平补偿器，用以改变光路，使视准轴略有倾斜时，视线仍能保持水平，以达到水准测量的要求。图2.9为补偿器的原理图，当水准轴水平时，水准尺的读数为a0，即A点的水平视线通过物镜光路到达十字丝的中心；当视准轴倾斜了一个小角度α时，视准轴的读数为a，为了使十字丝横丝的读数仍为视准轴水平时的读数a0，在望远镜的光路中加了一个补偿器，使经过物镜光心的水平视线经过补偿器的光学元件后偏转了一个β角，水平光线将落在十字丝的交点处，从而得到正确的读数，补偿器要达到补偿的目的应满足式（2.6）的要求：
图2.9 自动安平原理
2.2.3 水准尺
水准尺是水准测量时使用的标尺，用优质木材或玻璃钢制成，常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。图2.10所示为两种尺子的外形。
双面尺也称为直尺，尺长3m，尺的双面均有刻划，一面为黑白相间，称为黑面尺，尺底端起点为零；另一面为红白相间，称为红面尺，尺底端起点是一个常数，称为尺常数或零点，一般为4.687m或4.787m。不同尺常数的两根尺子组成一对使用，利用黑、红面尺零点相差的常数可对水准测量读数进行检核。双面尺用于三等、四等及普通水准测量中。
图2.10 水准尺
图2.11 尺垫
塔尺的形状呈塔形，由几节套接而成，其全长可达5m，尺的底部为零刻划，尺面以黑白相间的分划刻划，最小刻划为1cm或0.5cm，米和分米处注有数字，大于1m的数字注记加注红点或黑点，点的个数表示米数。塔尺携带方便，但在连接处常会产生误差，一般用于精度较低的普通水准测量中。
2.2.4 尺垫
在进行水准测量时，转点上一般要使用尺垫，如图2.11所示。尺垫用生铁铸成，呈三角形。上面有一个凸起的半圆球，半圆球的顶点作为转点标志，水准尺立于尺垫的半圆球顶点上。使用时应将尺垫下面的三个脚踏入土中使其稳固。