水準(zhǔn)儀經(jīng)緯儀原理及使用方法

1、水 準(zhǔn) 測 量 基本知識1.水準(zhǔn)測量原理工程上常用的高程測量方法有幾何水準(zhǔn)測量、三角高程測量、GPS測高及在特定對象和條件下采用的物理高程測量，其中幾何水準(zhǔn)測量是目前高程測量中精度最高、應(yīng)用最普遍的測量方法。如圖2-1所示，設(shè)在地面A、B兩點上豎立標(biāo)尺（水準(zhǔn)尺），在A、B兩點之間安置水準(zhǔn)儀，利用水準(zhǔn)儀提供一條水平視線，分別截取A、B兩點標(biāo)尺上讀數(shù)a、b，顯然 A、B兩點的高差hAB可寫為 A點高程HA已知， 求出B點高程 我們規(guī)定A點水準(zhǔn)尺讀數(shù)a為后視讀數(shù)，B點水準(zhǔn)尺讀數(shù)b為前視讀數(shù)。圖 2-1 如果A、B兩地距離較遠時，可以用連續(xù)水準(zhǔn)測量的方法。中間可設(shè)置轉(zhuǎn)點TP（臨時高程傳遞點，須放置尺墊

2、），如圖2-2所示， ， 。于是，可以求得A、B之間的高程差 B點高程.圖 2-22.水準(zhǔn)儀介紹：水準(zhǔn)儀是提供水平視線的儀器，按精度分，水準(zhǔn)儀通常有DS05、DS1、DS3等幾種。其中“D”和“S”分別為“大地”和“水準(zhǔn)儀”首字漢語拼音的首字母，而下標(biāo)是儀器的精度指標(biāo)，即每千米測量中的偶然誤差（以mm為單位）。目前常用的水準(zhǔn)儀從構(gòu)造上可分為兩大類：利用水準(zhǔn)管來獲得水平視線的“微傾式水準(zhǔn)儀”和利用補償器來獲得水平視線的“自動安平水準(zhǔn)儀”。此外，還有一種新型的水準(zhǔn)儀“電子水準(zhǔn)儀”，它配合條形碼標(biāo)尺，利用數(shù)字化圖像處理的方法，可自動顯示高程和距離，使水準(zhǔn)測量實現(xiàn)了自動化。 水準(zhǔn)儀主要由望遠鏡、水準(zhǔn)器

3、、基座三部分組成。（1） DS3微傾式水準(zhǔn)儀1.儀器介紹 圖2-3 DS3微傾式水準(zhǔn)儀1-物鏡：2-目鏡；3-調(diào)焦螺旋；4-管水準(zhǔn)器；5-圓水準(zhǔn)器；6-腳螺旋；7-制動螺旋；8-微動螺旋；9-微傾螺旋；10-基座2. DS3微傾式水準(zhǔn)儀的使用（1）安置水準(zhǔn)儀在測站上松開架腿的蝶形螺旋，按需要調(diào)整架腿的長度，將螺旋擰緊。將三腳架張開，使架頭大致水平，并將架腳的腳尖踩入土中。然后把水準(zhǔn)儀從箱中取出，將其固連在三腳架上。（2）認識水準(zhǔn)儀指出儀器各部件的名稱，了解其作用并熟悉其使用方法；同時弄清水準(zhǔn)尺的分劃與注記。（3）粗略整平水準(zhǔn)儀按“左手拇指規(guī)則”，先用雙手同時反向旋轉(zhuǎn)一對腳螺旋，使圓水準(zhǔn)器氣泡移

4、至中間，再轉(zhuǎn)動另一只腳螺旋使氣泡居中。通常需反復(fù)進行。（4）瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺的步驟是：轉(zhuǎn)動目鏡對光螺旋，使十字絲清晰；松開水平制動螺旋，轉(zhuǎn)動望遠鏡，通過望遠鏡上的缺口和準(zhǔn)星初步瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺，固定水平制動螺旋；轉(zhuǎn)動物鏡對光螺旋，使水準(zhǔn)尺分劃清晰；旋轉(zhuǎn)水平微動螺旋，使水準(zhǔn)尺影像的一側(cè)靠近于十字絲豎絲（便于檢查水準(zhǔn)尺是否豎直）；眼睛略作上下移動，檢查十字絲與水準(zhǔn)尺分劃像之間是否有相對移動（視差）；如果存在視差，則重新進行目鏡與物鏡對光，消除視差。（5）精確整平水準(zhǔn)儀轉(zhuǎn)動微傾螺旋，使符合水準(zhǔn)器氣泡兩端的像吻合。注意微傾螺旋轉(zhuǎn)動方向與符合水準(zhǔn)管左側(cè)氣泡移動方向的一致性。 （6）讀數(shù)用十字絲中絲在水準(zhǔn)尺

5、上讀取4位讀數(shù)。讀數(shù)時，先估讀毫米數(shù)，然后按米、分米、厘米及毫米一次讀出。（2）自動安平水準(zhǔn)儀自動安平水準(zhǔn)儀與微傾式水準(zhǔn)儀的區(qū)別在于：自動安平水準(zhǔn)儀沒有水準(zhǔn)管和微傾螺旋，而是在望遠鏡的光學(xué)系統(tǒng)中裝置了補償器。1視線自動安平的原理當(dāng)圓水準(zhǔn)器氣泡居中后，視準(zhǔn)軸仍存在一個微小傾角，在望遠鏡的光路上安置一補償器，使通過物鏡光心的水平光線經(jīng)過補償器后偏轉(zhuǎn)一個角，仍能通過十字絲交點，這樣十字絲交點上讀出的水準(zhǔn)尺讀數(shù)，即為視線水平時應(yīng)該讀出的水準(zhǔn)尺讀數(shù)。由于無需精平，這樣不僅可以縮短水準(zhǔn)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(fēng)吹刮等原因，引起的視線微小傾斜，能迅速自動安平儀

6、器，從而提高了水準(zhǔn)測量的觀測精度。2自動安平水準(zhǔn)儀的使用自動安平水準(zhǔn)儀的使用方法較微傾式水準(zhǔn)儀簡便。安置儀器后，只需用腳螺旋使圓水準(zhǔn)氣泡居中，完成儀器的錯略整平，即可用望遠鏡照準(zhǔn)水準(zhǔn)尺直接讀數(shù)。由于補償器有一定的補償范圍，所以使用自動安平水準(zhǔn)儀時，要防止補償器貼靠周圍的部件，保證其處于自由懸掛狀態(tài)。有的儀器在目鏡旁有一按鈕，它可以直接觸動補償器。讀數(shù)前可輕按此按鈕，以檢查補償器是否處于正常工作狀態(tài)，也可以消除補償器輕微的貼靠現(xiàn)象。如果每次觸動按鈕后，水準(zhǔn)尺讀數(shù)變動后又能恢復(fù)原有讀數(shù)，則表示工作正常。如果儀器上沒有這種檢查按鈕，則可用腳螺旋使儀器數(shù)軸在視線方向稍作傾斜，若讀數(shù)不變則表示補償器工作

7、正常。由于要確保補償器處于工作范圍內(nèi)，使用自動安平水準(zhǔn)儀時應(yīng)特別注意圓水準(zhǔn)器的氣泡居中。2.3 電子水準(zhǔn)儀簡介電子水準(zhǔn)儀的主要優(yōu)點是：（1）操作簡捷，自動觀測和記錄，并立即用數(shù)字顯示測量結(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)果輸入計算機進入后處理，實現(xiàn)測量工作自動化和流水線作業(yè)，大大提高功效。1電子水準(zhǔn)儀的觀測精度電子水準(zhǔn)儀的觀測精度高，如瑞士徠卡公司開發(fā)的NA2000型電子水準(zhǔn)儀的分辨力為0.1mm，每千米往返測得高差中數(shù)的偶然中誤差為2.0mm；NA3003型電子水準(zhǔn)儀的分辨力為0.01mm，每千米

8、往返測得高差中數(shù)的偶然中誤差為0.4mm。2電子水準(zhǔn)儀測量原理簡述與電子水準(zhǔn)儀配套使用的水準(zhǔn)尺為條形編碼尺，通常由玻璃纖維或銦鋼制成。在電子水準(zhǔn)儀中裝置有行陣傳感器，它可識別水準(zhǔn)標(biāo)尺上的條形編碼。電子水準(zhǔn)儀攝入條形編碼后，經(jīng)處理器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字，在通過信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)化，在顯示屏上直接顯示中絲讀數(shù)和視距。3電子水準(zhǔn)儀的使用（以南方電子水準(zhǔn)儀DL301為例）南方電子水準(zhǔn)儀DL301為用鍵盤和安裝在側(cè)面的測量鍵來操作。由LCD顯示器顯示給使用者，并顯示測量結(jié)果和系統(tǒng)的狀態(tài)。觀測時，電子水準(zhǔn)儀在人工完成安置與粗平、瞄準(zhǔn)目標(biāo)（條形編碼水準(zhǔn)尺）后，按下測量鍵后約34秒既顯示出測量結(jié)果。其測量結(jié)果可貯存在

9、電子水準(zhǔn)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(zhǔn)標(biāo)尺條形編碼被局部遮擋30，仍可進行觀測。各鍵功能說明鍵 符鍵 名功 能REC記錄鍵記錄測量數(shù)據(jù)。SET設(shè)置鍵進入設(shè)置模式，設(shè)置模式是用來設(shè)置測量參數(shù)、條件參數(shù)和儀器參數(shù)。MENU菜單鍵進入菜單模式，菜單模式有下列選擇項:標(biāo)準(zhǔn)測量模式、線路測量模式、檢校模式、數(shù)據(jù)管理和格式化內(nèi)存數(shù)據(jù)卡。SRCH查詢鍵用來查詢和顯示記錄的數(shù)據(jù)。INSO中間點放樣模式鍵在連續(xù)水準(zhǔn)線路測量時，測中間點或放樣。DIST測距鍵測量并顯示距離。MANU手工輸入鍵當(dāng)不能用MEAS鍵進行測量時，可從鍵盤手工輸入數(shù)據(jù)。 選擇鍵用來翻頁菜單屏幕或數(shù)據(jù)顯示屏幕。數(shù)字移動

10、鍵查詢數(shù)據(jù)時的左右翻頁或字母符號輸入狀態(tài)時左右選擇。REP重復(fù)測量鍵在連續(xù)水準(zhǔn)線路測量時,可用來重測已測過的后視或前視。ESC/C退出/清除鍵用來退出菜單模式或任一設(shè)置模式，也可作輸入數(shù)據(jù)時的后退清除鍵。09數(shù)字鍵用來輸入數(shù)字()數(shù)字、符號、字母輸入鍵在可輸入字母或符號時,切換大小寫字母和符號輸入狀態(tài)。標(biāo)尺倒置模式用來進行倒置標(biāo)尺輸入，并應(yīng)預(yù)先在測量參數(shù)下，將倒置標(biāo)尺模式設(shè)置為使用。ENT輸入鍵用來確認模式參數(shù)或輸入顯示的數(shù)據(jù)MEAS測量鍵用來進行測量POWER電源開關(guān)鍵儀器開機與關(guān)機背光燈開關(guān)打開或關(guān)閉背光燈使用方法：應(yīng)使用配套的E型鋁制三腳架或?qū)捒蛉_架，或球頭鋁制三腳架。1.伸縮三腳架三

11、條腿到合適的長度，并擰緊腿部中間部分固定螺帽。2.固緊三腳架頭上的六角螺母，使三腳架腿不致于太松。將三腳架安置在給定點上，張開三腳架，使腿的間距約一米或腳架張角能保證三腳架穩(wěn)定，先固定一個腳，再動其他二個腳使水準(zhǔn)儀大致水平，如有必要可再伸縮三腳架腿的長度。3.將三腳架腿踩入地面內(nèi)使其固定在地面上。將儀器安裝到三腳架頭上從儀器箱內(nèi)小心取出儀器并安置到三腳架頭上1.將三腳架中心螺旋對準(zhǔn)儀器底座上的中心，然后旋緊腳架上的中心螺旋直到將儀器固定在三架頭上。2.如果需要用水平度盤測定角度或設(shè)定一條線，則須用垂球?qū)x器精確地對中。3.利用三個腳螺旋使圓水準(zhǔn)器氣泡居中，即置平儀器，若使用球頭三腳架，則應(yīng)先輕

12、輕松開腳架中心螺旋，然后將儀器圍繞三腳架頭頂部轉(zhuǎn)動使圓水準(zhǔn)器泡居中，當(dāng)氣泡位于圈內(nèi)即可旋緊腳架上的固定螺母。安置儀器在給定點上(對中)當(dāng)儀器用于測角或定線，則該儀器必須用垂球精確安置在給定點上。1.將垂球鉤掛在三腳架中心螺旋的垂球架上。2.然后將垂球線掛到垂球上，用滑動裝置調(diào)節(jié)線的長度使垂球位于合適的高度上。3.如果儀器未對準(zhǔn)給定點，可將儀器移動到該點上，而無須改變?nèi)_架腿與架頭之間的關(guān)系。首先將三腳架大致安置到給定點上，使垂球偏離該點約在lcm以內(nèi)，握住三腳架的兩條腿，相對于第三條腿進行調(diào)節(jié)，使架頭水平、高度適當(dāng)，架腿張開合適可觸及地面。4.最后一邊觀察垂球和架頭一邊將每條架腿踩入地面內(nèi)。5

13、.略微松開三腳架中心螺旋，在架頭上輕輕移動儀器，使垂球正好對準(zhǔn)給定點，然后將三腳架中心螺旋旋緊。整平儀器1. 轉(zhuǎn)動離圓水準(zhǔn)器最遠的兩個腳螺旋，使圓水準(zhǔn)器氣泡位于和上述兩個腳螺旋中心連線的垂線上(如下圖所示2.然后旋轉(zhuǎn)第三個腳螺旋，使氣泡居中如果氣泡仍未嚴格居中，則應(yīng)從頭開始重復(fù)上述操作注:整平過程中不要觸動望遠鏡調(diào)節(jié)目鏡在測量操作之前，必須根據(jù)操作員的視力對望遠鏡目鏡進行調(diào)節(jié)1.首先，按反時針方向旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)環(huán)，此時十字絲可能變得模糊不清。2.然后，按順時針方向慢慢旋轉(zhuǎn)目鏡環(huán)，直到十字絲清晰可見。照準(zhǔn)與調(diào)焦1.將望遠鏡對準(zhǔn)標(biāo)尺，觀察提手把上的粗瞄器，使三角形標(biāo)志的頂點對準(zhǔn)標(biāo)尺(如圖所示)2.其

14、次，任意方向旋轉(zhuǎn)調(diào)焦螺旋直到看清標(biāo)尺。3.最后，用水平微動螺旋精確照準(zhǔn)標(biāo)尺，詳情見“標(biāo)尺的調(diào)焦與照準(zhǔn)”注:一旦水準(zhǔn)儀已經(jīng)調(diào)焦且瞄準(zhǔn)標(biāo)尺，即可一邊左、右移動眼睛一邊通過望遠鏡觀察，按理此時十字絲和標(biāo)尺之間不會出現(xiàn)偏離，若有偏離(視差)，則應(yīng)仔細調(diào)焦儀器或調(diào)節(jié)目鏡，以使消除調(diào)焦誤差。經(jīng)緯儀的認識與使用基本知識1. 角度測量原理 角度測量包括水平角測量和豎直角測量。 (1) 水平角定義 從一點出發(fā)的兩空間直線在水平面上投影的夾角即二面角，稱為水平角。其范圍：順時針 0° 360°。如圖所示，B點到A、C兩目標(biāo)的方向線AB和AC在某水平面上的垂直投影B1C1和B1A1的夾角C1B1

15、A1即為水平角。由此可見，地面上任意兩直線間的水平夾角，就是通過兩直線所作鉛垂面間的兩面角。(2) 豎直角定義 在同一豎直面內(nèi)，目標(biāo)視線與水平線的夾角，稱為豎直角。其范圍在 0°±90° 之間。如圖當(dāng)視線位于水平線之上，豎直角為正，稱為仰角（>0）；反之當(dāng)視線位于水平線之下，豎直角為負，稱為俯角(<0)。 2.光學(xué)經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀是用于角度測量的儀器。所謂光學(xué)經(jīng)緯儀，主要指其度盤和讀數(shù)系 統(tǒng)是采用玻璃制成的。我國生產(chǎn)的經(jīng)緯儀型號用“DJ”表示，“D”，“J”分別 代表 “大地測量”和“經(jīng)緯儀”。緊跟其后的下標(biāo)阿拉伯?dāng)?shù)字代表儀器的精度。 經(jīng)緯儀的精度使用測量

16、水平方向一個測回的中誤差來表征的。例如：DJ6表示用 此儀器測一個測回的方向中誤差為6的經(jīng)緯儀型號。工程測量常用DJ6 級。（1）光學(xué)構(gòu)造經(jīng)緯儀的構(gòu)造可以分為照準(zhǔn)部、水平度盤和基座三部分，如圖所示為DJ6光學(xué)經(jīng)緯儀外形。1照準(zhǔn)部照準(zhǔn)部是指經(jīng)緯儀水平度盤之上，能繞其旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)部分的總稱。照準(zhǔn)部主要由豎軸、望遠鏡、豎直度盤、讀數(shù)設(shè)備、照準(zhǔn)部水準(zhǔn)管和光學(xué)對中器等組成。（1）豎軸 照準(zhǔn)部的旋轉(zhuǎn)軸稱為儀器的豎軸。通過調(diào)節(jié)照準(zhǔn)部制動螺旋和微動螺旋，可以控制照準(zhǔn)部在水平方向上的轉(zhuǎn)動。（2）望遠鏡 望遠鏡用于瞄準(zhǔn)目標(biāo)。另外為了便于精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，經(jīng)緯儀的十字絲分劃板與水準(zhǔn)儀的稍有不同，如圖3-3所示。圖 經(jīng)緯儀

17、的十字絲分劃板望遠鏡的旋轉(zhuǎn)軸稱為橫軸。通過調(diào)節(jié)望遠鏡制動螺旋和微動螺旋，可以控制望遠鏡的上下轉(zhuǎn)動。望遠鏡的視準(zhǔn)軸垂直于橫軸，橫軸垂直于儀器豎軸。因此，在儀器豎軸鉛直時，望遠鏡繞橫軸轉(zhuǎn)動掃出一個鉛垂面。（3）豎直度盤 豎直度盤用于測量垂直角，豎直度盤固定在橫軸的一端，隨望遠鏡一起轉(zhuǎn)動。（4）讀數(shù)設(shè)備 讀數(shù)設(shè)備用于讀取水平度盤和豎直度盤的讀數(shù)。（5）照準(zhǔn)部水準(zhǔn)管 照準(zhǔn)部水準(zhǔn)管用于精確整平儀器。水準(zhǔn)管軸垂直于儀器豎軸，當(dāng)照準(zhǔn)部水準(zhǔn)管氣泡居中時，經(jīng)緯儀的豎軸鉛直，水平度盤處于水平位置。（6）光學(xué)對中器 光學(xué)對中器用于使水平度盤中心位于測站點的鉛垂線上。2水平度盤水平度盤是用于測量水平角的。它是由光學(xué)玻

18、璃制成的圓環(huán)，環(huán)上刻有0°360°的分劃線，在整度分劃線上標(biāo)有注記，并按順時針方向注記，其度盤分劃值，為1或30。水平度盤與照準(zhǔn)部是分離的，當(dāng)照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)動時，水平度盤并不隨之轉(zhuǎn)動。如果需要改變水平度盤的位置，可通過照準(zhǔn)部上的水平度盤變換手輪，將度盤變換到所需要的位置。3基座基座用于支承整個儀器，并通過中心連接螺旋將經(jīng)緯儀固定在三腳架上?；嫌腥齻€腳螺旋，用于整平儀器。在基座上還有一個軸座固定螺旋，用于控制照準(zhǔn)部和基座之間的銜接。（2）讀數(shù)方法 圖 分微尺測微器讀數(shù)度盤上小于度盤分劃值的讀數(shù)要利用測微器讀出，DJ6型光學(xué)經(jīng)緯儀一般采用分微尺測微器。如圖3-4所示，在讀數(shù)顯微鏡

19、內(nèi)可以看到兩個讀數(shù)窗：注有“水平”或“H”的是水平度盤讀數(shù)窗；注有“豎直”或“V”的是豎直數(shù)窗。每個讀數(shù)窗上有一分微尺。分微尺的長度等于度盤上1影像的寬度，即分微尺全長代表1。將分微尺分成60小格，每1小格代表1，可估讀到0.1，即6。每10小格注有數(shù)字，表示10的倍數(shù)。讀數(shù)時，先調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡目鏡對光螺旋，使讀數(shù)窗內(nèi)度盤影像清晰，然后，讀出位于分微尺中的度盤分劃線上的注記度數(shù)，最后，以度盤分劃線為指標(biāo)，在分微尺上讀取不足1的分數(shù)，并估讀秒數(shù)。如圖3-4所示，其水平度盤讀數(shù)為1640636，豎直度盤讀數(shù)為865136。2.電子經(jīng)緯儀電子經(jīng)緯儀與光學(xué)經(jīng)緯儀的根本區(qū)別在于它用微機控制的電子測角系統(tǒng)

20、代替光學(xué)讀數(shù)系統(tǒng)。其主要特點是：（1）使用電子測角系統(tǒng)，能將測量結(jié)果自動顯示出來，實現(xiàn)了讀數(shù)的自動化和數(shù)字化。（2）采用積木式結(jié)構(gòu)，可與光電測距儀組合成全站型電子速測儀，配合適當(dāng)?shù)慕涌?，可將電子手簿記錄的?shù)據(jù)輸入計算機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和繪圖自動化。1電子測角原理簡介電子測角仍然是采用度盤來進行。與光學(xué)測角不同的是，電子測角是從特殊格式的度盤上取得電信號，根據(jù)電信號再轉(zhuǎn)換成角度，并且自動地以數(shù)字形式輸出，顯示在電子顯示屏上，并記錄在儲存器中。電子測角度盤根據(jù)取得電信號的方式不同，可分為光柵度盤測角、編碼度盤測角和電柵度盤測角等。 2電子經(jīng)緯儀的性能簡介電子經(jīng)緯儀采用光柵度盤測角，水平、垂直角度顯示讀數(shù)分辨率為1，測角精度達2。DJ D2裝有傾斜傳感器，當(dāng)儀器豎軸傾斜時，儀器會自動測出并顯示其數(shù)值，同時顯示對水平角和垂直角的自動校正。儀器的自動補償范圍為±3。3電子經(jīng)緯儀的使用（以DZJ5為例）DZJ5電子經(jīng)緯儀使用時，首先要在測站點上安置儀器，在目標(biāo)點