3.2 水准仪及其使用
3.2.1 水准仪与水准尺
水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫（或尺桩）。
3.2.1.1 水准仪的分类
水准仪的类型按产生水平视线的方式，可分为微倾式水准仪和自动安平水准仪；按读数方式，可分为光学水准仪和电子水准仪（或数字水准仪）。若在仪器中装有激光发生器，使视线是一条可见的激光，则称为激光水准仪。各类水准仪如图3.2所示。
图3.2 水准仪
水准仪的精度也是有等级区分的，有DS05、DS1、DS3、DS10等型号。其中“D”表示大地测量，“S”表示水准仪，05、1、3、10表示精度等级，即仪器所能达到的每公里往返测高差中数的中误差。DS05和DS1型号的为精密水准仪，DS3和DS10型号的为一般工程水准仪。电子水准仪有0.3mm/km、0.4mm/km、0.5mm/km、1mm/km等。
3.2.1.2 DS3型微倾式光学水准仪
DS3型微倾式光学水准仪，总体上由望远镜、水准器和基座几部分组成，其他各细部构件如图3.3所示。
图3.3 微倾式光学水准仪的构造
1—望远镜物镜；2—望远镜目镜；3—长水准管；4—圆水准器；5—基座；6—制动螺旋；7—微动螺旋；8—脚螺旋；9—微倾螺旋；10—目镜对光螺旋；11—瞄准器（缺口）；12—物镜对光螺旋；13—瞄准器（准星）
1.望远镜
望远镜是提供视线和照准目标的设备，如图3.4（a）所示，它由物镜、调焦透镜、十字丝分划板和目镜等组成。
图3.4 望远镜的构造
1—物镜；2—目镜；3—物镜调焦透镜；4—十字丝分划板；5—物镜对光螺旋；6—目镜对光螺旋
物镜的作用是将所照准的目标成像在十字丝面上形成缩小的实像，目镜的作用是将物镜所成的像连同十字丝的影像放大。十字丝用于在水准尺上进行读数，它是在玻璃片上刻划出很细的分划，如图3.4（b）所示。中间的一根长横丝称为横丝，竖直的称为竖丝，上下的短丝用以测定距离，称为视距丝。
物镜的焦点也称光心，通过物镜光心与十字丝交点的连线称为望远镜的视准轴，用CC表示，即通常所说的视线。
2.水准器
水准器分为水准管和圆水准器两种，现分述如下。
（1）水准管。水准管如图3.5（a）所示，与望远镜连在一起，用以调节视线成水平位置。它是用一纵向内壁磨成圆弧形的玻璃管制成。玻璃管上刻有2mm间隔的刻线，管内盛满加热的液体，通常是酒精和乙醚的混合液，冷却后管内液体体积收缩，出现一个小真空空间，即通常所说的“气泡”，显然气泡会处于管内最高处。水准管圆弧中点O称为水准管零点，零点的切线LL称为水准管轴，简称水准轴。当气泡两端与刻划中心对称时则气泡居中，此时水准轴水平。若保持视准轴CC与水准轴LL平行，则当气泡居中时，即LL水平，视准轴也位于水平位置。
图3.5 水准器
水准管上每2mm弧长所对的圆心角称为水准管分划值，用希腊字母τ表示，用公式表示为
式中 R——水准管的内壁圆弧半径，mm；
ρ——弧度与秒的关系，即ρ=206265″。
由式（3.4）可见，分划值τ与水准管的内壁圆弧半径成反比，半径越大，分划值越小，灵敏度越高；反之，半径越小，分划值越大，灵敏度越低。DS3微倾式水准仪水准管的分划值为20″/2mm。
一般微倾式水准仪都会在水准管的上方装一组棱镜，如图3.6（a）所示，通过这组棱镜的折光作用，将气泡两端的像反映在望远镜的符合水准器放大镜内，如图3.6（b）所示。当放大镜正中看到气泡两端的两个半像对齐，表示气泡居中。如果两个半像错开则表示气泡未居中，此时可转动望远镜微倾螺旋，使气泡两端的像重合，气泡就居中了。这种具有棱镜装置的水准器，称为符合水准器，它能提高气泡居中的精度。
图3.6 符合水准器
（2）圆水准器。圆水准器是一个内壁顶面为球面的玻璃圆盒，如图3.5（b）所示。盒内混合液和制作方法与水准管相同。球面正中有圆分划圈，分划圈的中心为圆水准器的零点。过零点的球面法线L′L′为圆水准器轴。圆水准器轴应该与仪器的旋转轴（竖轴）平行，所以当气泡居中时，即表示仪器的竖轴已处于铅垂线位置。圆水准器的分划值一般为（8′～10′）/2mm，由于它的灵敏度较低，所以用作使仪器概略整平（或称粗平）。
（3）基座。基座包括轴套、脚螺旋和连接板。调节脚螺旋的高度使圆水准器气泡居中，可达到仪器粗略整平的目的。
3.2.1.3 DS05和DS1型微倾式精密光学水准仪
与普通水准仪（如DS3型水准仪）比较，精密水准仪的特点是：水准管的分化值较小，通常为10″/2mm，整平精度高；望远镜光学性能好，放大倍率大，照准精度高；仪器结构稳固，望远镜视准轴与水准管轴之间的联系保持稳定；仪器上装有测微器，测微器最小分划值不大于0.1mm，读数精度高。
总体上，精密水准仪与普通水准仪的整体构造大致相同，最大不同之处是精密水准仪有测微器，如图3.7和图3.8所示。
图3.7 DS05型精密光学水准仪
1—目镜；2—测微尺读数目镜；3—物镜对光螺旋；4—测微轮；5—微倾螺旋；6—微动螺旋
图3.8 DS1型精密光学水准仪
1—目镜；2—测微尺读数目镜；3—物镜对光螺旋；4—测微轮；5—微倾螺旋；6—微动螺旋
3.2.1.4 自动安平水准仪
自动安平水准仪与微倾式水准仪比较，它只有圆水准器，没有长水准管和微倾螺旋。利用望远镜内光学系统中装置的自动补偿器代替水准管。当仪器概略整平后，通过自动补偿器使视准轴置于水平位置，直接在水准尺上读取读数。自动安平水准仪的精度也有普通型（如DS3）和精密型（DS05和DS1）之分。
3.2.1.5 电子水准仪
电子水准仪又称数字水准仪，是一种新型的智能型仪器。电子水准仪由望远镜、水准器、基座及数据处理系统组成。电子水准仪的光学系统和机械系统与普通水准仪基本相同，因此，其原理和操作与普通水准仪也大致相同，但读数系统不同，它是通过对条码尺进行扫描，将标尺读数及视距直接以数字的形式显示在屏幕上，供观测员读取，也可以存储在仪器中。电子水准仪实现了观测、记录、计算、显示和存储的自动化。仪器的中央处理器配有专用软件，可自动对仪器的误差进行归算改正。与计算机通信，可将存储的数据导入计算机进行后续处理。电子水准仪的精度一般都是精密级的。
3.2.1.6 水准尺
水准尺是水准测量时使用的标尺，有区格式双面水准尺、铟瓦水准尺和条形码标尺。
不同精度和不同读数方法的仪器配套不同的水准尺。一般精度的光学水准仪（如DS3型光学水准仪）常配套使用区格式双面水准尺，如图3.9（a）所示。这种水准尺用木质材料或合金材料制成，长度一般有2m和3m之分。双面尺的分划一面是黑白相间的，称为黑色面；另一面是红白相间的，称为红色面。每格宽度为1cm或0.5cm，整米和整分米处均有注记。双面尺要成对使用，一对尺子的黑色分划，其起始数字都是从零开始，而红色面的起始数字分别为4.687m（4687mm）和4.787m（4787mm），4.687、4.787（或4687、4787）称为水准尺常数K。
精密光学水准仪配套使用铟瓦水准尺，这种水准尺是在木质（或合金材料）尺身的凹槽内引张一根铟瓦合金钢带，其中零点固定在尺身上，另一端用弹簧以一定的拉力将其引张在尺身上，以使铟瓦合金钢带不受尺身伸缩变形的影响，长度分划在铟瓦合金钢带上，数字注记在尺身上，如图3.9（b）所示。
电子水准仪配套使用的是条形码标尺，如图3.9（c）所示。当标尺影像通过水准仪望远镜成像在十字丝平面上，经过电子处理器译释、对比、数字化后，在仪器显示屏上显示中丝在标尺上的读数及仪器至标尺的距离 （视距）。
图3.9 水准尺
图3.10 尺垫和尺桩
3.2.1.7 尺垫
尺垫是用铸铁制成，如图3.10（a）和图3.10（c）所示。面上有一个半球，水准尺立于其上。尺垫下面有3个尖脚可以插入土中，其作用是防止水准尺的位置和高度发生变化而影响水准测量的精度。对松软地面，则使用图3.10（b）所示的尺桩打入土中。
3.2.2 水准仪的使用
水准仪的使用分为安置仪器、概略整平、照准水准尺和精平与读数几个步骤。
3.2.2.1 安置仪器
选择距前后立尺点大约等距离处作为测站点，在测站打开三脚架，使之高度适中，架头大致水平，将脚架踩实。从仪器箱中取出仪器，用中心螺旋将仪器固定在三脚架架头上。
3.2.2.2 概略整平
概略整平也叫粗平，是通过转动脚螺旋使圆水准器气泡居中。操作方法如图3.11所示。先用双手同时相对转动两个脚螺旋，使气泡移至第三个脚螺旋与刻划圈连线的方向上，再转动第三个脚螺旋，使气泡居中。注意，气泡移动方向是与左手大拇指转动方向一致。若使用的是自动安平水准仪，仪器粗平后将自动补偿器打开，并轻轻转动仪器。
图3.11 概略整平
3.2.2.3 照准水准尺
先把望远镜对向明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使望远镜内十字丝像清晰。再通过望远镜上方的缺口和准星瞄准水准尺。这时轻轻地把制动螺旋拧紧，固定望远镜，转动望远镜的物镜对光螺旋，使尺像清楚。然后转动望远镜水平微动螺旋，使十字丝竖丝对准水准尺中线位置，如图3.12所示。
图3.12 照准水准尺
图3.13 视差现象
瞄准后，要检查是否有视差。视差是眼睛在目镜处上下左右做少量移动，若发现十字丝和目标的像有相对移动，这种现象即为视差。产生视差的原因是目标通过物镜之后的像平面与十字丝分划板的平面不重合，如图3.13（a）所示。消除视差的方法是交替调节目镜和物镜的调焦螺旋，使上述两个平面重合，如图3.13（b）所示，此时横丝截取尺上的读数不变。
3.2.2.4 精平与读数
对于微倾式水准仪，调节微倾螺旋，使水准管气泡居中，即符合气泡影像重合，此时，视线精确水平。对于自动安平水准仪，通过自动补偿器可使视线精确水平。仪器精平后，即可利用十字丝横丝在水准尺上读数。
1.区格式水准尺的读数方法
通过水准尺的注记能直接读出米、分米和厘米，估读毫米。为了保证读数的准确性，可先估读毫米数。注意，读数要以米或毫米为单位，图3.12所示读数为1.465m或1465mm，而不要以分米或厘米为单位。
2.铟瓦水准尺的读数方法
将仪器精确整平后，十字丝横丝往往不恰好对准水准尺上某一分划线，转动测微轮使十字丝的楔形丝正好夹住一个整分划线，读取楔形丝夹住的分划线的读数，图3.14所示为148，即1.48m，再读取测微尺读数窗内的读数，图3.14所示为655，即6.55mm，水准尺的全读数为两个读数之和，为148655，即1.48655m。
图3.14 精密水准尺读数方法
图3.15 条形码水准尺读数
3.条形码水准尺的读数
条形码标尺，通过电子水准仪照准和扫描后，在仪器显示屏上直接显示数据，供观测者读取或存储，如图3.15所示。