精密水準儀介紹

1、§5.3 精密水準儀與水準尺 精密水準儀的構(gòu)造特點 對于精密水準測量的精度而言，除一些外界因素的影響外，觀測儀器水準儀在結(jié)構(gòu)上的精確性與可靠性是具有重要意義的。為此，對精密水準儀必須具備的一些條件提出下列要求。 1.高質(zhì)量的望遠鏡光學系統(tǒng) 為了在望遠鏡中能獲得水準標尺上分劃線的清晰影像，望遠鏡必須具有足夠的放大倍率和較大的物鏡孔徑。一般精密水準儀的放大倍率應大于40倍，物鏡的孔徑應大于50mm。2.堅固穩(wěn)定的儀器結(jié)構(gòu) 儀器的結(jié)構(gòu)必須使視準軸與水準軸之間的聯(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。一般精密水準儀的主要構(gòu)件均用特殊的合金鋼制成，并在儀器上套有起隔熱作用的防護罩

2、。 3.高精度的測微器裝置 精密水準儀必須有光學測微器裝置，借以精密測定小于水準標尺最小分劃線間格值的尾數(shù)，從而提高在水準標尺上的讀數(shù)精度。一般精密水準儀的光學測微器可以讀到0.lmm，估讀到0.Olmm。 4.高靈敏的管水準器 一般精密水準儀的管水準器的格值為10"/2mm。由于水準器的靈敏度愈高，觀測時要使水準器氣泡迅速置中也就愈困難，為此，在精密水準儀上必須有傾斜螺旋（又稱微傾螺旋）的裝置，借以可以使視準軸與水準軸同時產(chǎn)生微量變化，從而使水準氣泡較為容易地精確置中以達到視準軸的精確整平。表5-1 我國水準儀系列及基本技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)項目水準儀系列型號S05S1S3S10每公里往

3、返平均高差中誤差望遠鏡放大率望遠鏡有效孔徑管狀水準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。如果補償器不能給出正確的補償量，或

4、是補償不足，或是補償過量，都會影響精密水準測量觀測成果的精度。 我國水準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)。 我國水準儀系列及基本技術(shù)參數(shù)列于表5-1。 精密水準標尺的構(gòu)造特點 水準標尺是測定高差的長度標準，如果水準標尺的長度有誤差，則對精密水準測量的觀測成果帶來系統(tǒng)性質(zhì)的誤差影響，為此，對精密水準標尺提出如下要求： （1）當空氣的溫度和濕度發(fā)生變化時，水準標尺分劃間的長度必須保持穩(wěn)定，或僅有微小的變化。一般精密水準尺的分劃是漆在因瓦合金帶上，因瓦合金帶則以一定的拉力引張在木質(zhì)尺身的溝槽中，這樣

5、因瓦合金帶的長度不會受木質(zhì)尺身伸縮變形影響。水準標尺分劃的數(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）水準標尺的分劃必須十分正確與精密，分劃的偶然誤差和系統(tǒng)誤差都應很小。水準標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，當前精密水準標尺分劃的偶然中誤差一般在8llm。由于精密水準標尺分劃的系統(tǒng)誤差可以通過水準標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標尺分劃的綜合精度。 （3）水準標尺在構(gòu)造上應保證全長筆直，并且尺身不易發(fā)生長度和彎扭等變形。一般精密水準標尺的木質(zhì)尺身均應以經(jīng)過特殊處理的優(yōu)質(zhì)木料制作。為了避免水準標尺在使用中尺身底

6、部磨損而改變尺身的長度，在水準標尺的底面必須釘有堅固耐磨的金屬底板。圖5-8 在精密水準測量作業(yè)時，水準標尺應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）在精密水準標尺的尺身上應附有圓水準器裝置，作業(yè)時扶尺者借以使水準標尺保持在垂直位置。在尺身上一般還應有扶尺環(huán)的裝置，以便扶尺者使水準標尺穩(wěn)定在垂直位置。圖5-9 （5）為了提高對水準標尺分劃的照準精度，水準標尺分劃的形式和顏色與水準標尺的顏色相協(xié)調(diào)，一般精密水準標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標尺分劃精確照準。 線條分劃精密水準標尺的分格值有l(wèi)0mm和5mm兩種

7、。分格值為lOmm的精密水準標尺如圖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5mm，分劃注記比實際數(shù)值大了一倍，所以用這種水準標

8、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的精密水準標尺，也有有一輔助分劃的。 與數(shù)字編碼水準儀配套使用的條形碼水準尺如圖5-9所示。通過數(shù)字編碼水準儀的探測器來識別水準尺上的條形碼，再經(jīng)過數(shù)字影像處理，給出水準尺上的讀數(shù)，取代了在水準尺上的目視讀數(shù)。5.3.3 Wild N3精密水準儀圖5-10WildN3精密水準儀的外形如圖5-10所示。望遠鏡物鏡的有效孔徑為50mm，放大倍率為40倍，管狀水準器格值為10"/2mm。N3精密水準儀與分格值為l0mm的精密因瓦水準標尺配套使用，標尺的基輔差為301.55cm。在望遠鏡目鏡的左邊上下有兩個小目鏡（在圖5-10中沒有

9、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)動測微螺旋使望遠鏡目鏡中看到的楔形絲夾準水準標尺上的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)，故水平視線在水準標尺上的全部讀數(shù)為148.653cm。 1.N3精密水準儀的傾料螺旋裝置 圖5-12所示是N3型精密水準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，使其對望遠鏡的作用點產(chǎn)生微量升降，從而使望遠鏡繞轉(zhuǎn)軸

10、作微量傾斜。由于望遠鏡與水準器是緊密相聯(lián)的，于是傾斜螺旋的旋轉(zhuǎn)就可以使水準軸和視準軸同時產(chǎn)生微量的變化，借以迅速而精確地將視準軸整平。在傾斜螺旋上一般附有分劃盤，可借助于固定指標進行讀數(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，可以測定視準軸微傾的角度值，在進行跨越障礙物的精密水準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)軸并不位于望遠鏡的中心，而是位于靠近物鏡的一端。由圓水準器整平儀器時，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準軸時，將會引起視準軸高度的變化，傾斜螺旋轉(zhuǎn)動量

11、愈大，視準軸高度的變化也就愈大。如果前后視精確整平視準軸時，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行精確整平視準軸。但有些儀器轉(zhuǎn)軸的裝置，位于過望遠鏡中心的垂直幾何軸線上。 2.N3精密水準儀的測微器裝置 圖5-13是N3精密水準儀的光學測微器的測微工作原理示意圖。由圖可見，光學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，它與10mm相對應，即每分格為0.lmm，可估讀至

12、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，當平行玻璃板與水平視線正交時，水準標尺上讀數(shù)應為在兩相鄰分劃148與149之間，此時測微分劃上讀數(shù)為5m

13、m，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)中應減去常數(shù)（初始讀數(shù)) 5mm,但因在水準測量中計算高差時能自動抵消這個常數(shù)，所以在水準測量作業(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玻璃，實質(zhì)上是一個光楔罩，它一方面可以防止塵土侵

14、人望遠鏡筒內(nèi)，另一方面光楔的轉(zhuǎn)動可使視準軸傾角作微小的變化，借以精確地校正視準軸與水準軸的平行性。 近期生產(chǎn)的新N3精密水準儀如圖5-15所示。望遠鏡物鏡的有效孔徑為52mm，并有一個放大倍率為40的準直望遠鏡，直立成像，能清晰地觀測到離物鏡0.3m處的水準標尺。圖5-14 圖5-15 光學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，利用這些附件可進一步擴大儀器的應用范圍，可用于精密高程控制測量、形變測量、沉陷監(jiān)測、工業(yè)應用等。5.3.4 Zeiss Ni

15、004精密水準儀 Zeiss Ni 004精密水準儀的外形如圖5-16所示。圖5-16 這種儀器的主要特點是對熱影響的感應較小，即當外界溫度變化時，水準軸與視準軸之間的交角的變化很小，這是因為望遠鏡、管狀水準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)，這樣就保證了水準儀上這些部件的溫度迅速達到平衡。儀器物鏡的有效孔徑為56mm，望遠鏡放大倍率為44倍，望遠鏡目鏡視場內(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，管狀水準器格值為10/2mm。轉(zhuǎn)動測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，視場下部是水準器的符合氣泡影像。Ni 004精密水準儀與分格值為5mm的精密因瓦水準尺配套使用。在圖5-17中，使用測微螺旋使楔形絲夾準水準標尺上197分劃，在測微分劃鼓上的讀數(shù)為340，即3.40mm，水準標尺上的全部讀數(shù)為197.340cm。圖5-17 圖5-185.3.5 國產(chǎn)S1型精密水準儀圖5-19 Sl型精密水準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，