2.2 水准测量仪器
2.2.1 水准测量的仪器
1.微倾式水准仪的基本构造
微倾式水准仪的基本构造如图2-3所示，DS3型微倾式水准仪主要由望远镜、水准器和基座三部分组成。
图2-3 DS3型微倾式水准仪
1—物镜；2—物镜调焦螺旋；3—水平微动螺旋；4—制动螺旋；5—微倾螺旋；6—脚螺旋；7—符合气泡观察镜；8—水准管；9—圆水准器；10—校正螺丝；11—目镜；12—准星；13—照门；14—基座
（1）望远镜。望远镜主要由物镜、目镜、物镜调焦（对光）螺旋和十字丝分划板组成，其作用是提供一条水平视线，精确照准水准尺进行读数，如图2-4所示。
图2-4 望远镜
1—物镜；2—目镜；3—对光透镜；4—物镜对光螺旋；5—固定螺丝；6—十字丝分划板
望远镜的物镜和目镜一般由复合透镜组成。由于物镜调焦构造不同，望远镜有外对光望远镜和内对光望远镜两种，目前使用的多为内对光望远镜，该种望远镜的对光透镜为凹透镜，位于物镜和目镜之间。望远镜的对光是通过旋转物镜调焦螺旋，使调焦镜在望远镜镜筒内平移来实现的，其成像原理如图2-5所示。
图2-5 望远镜成像原理
1—物镜；2—对光透镜；3—十字丝分划板；4—目镜
目标AB经过物镜后形成一个倒立且缩小的实像a′b′，移动对光透镜可使不同距离的目标均能成像在十字丝平面上。通过目镜的作用，可看到同时放大了的十字丝和目标影像ab。
如图2-5所示，从望远镜内看到目标的像所对的视角为β，用肉眼看目标所对的视角可近似地认为是α，从望远镜内所看到的目标AB影像的视角与肉眼直接观察该目标的视角之比，称为望远镜的放大率，一般用v表示，则望远镜的放大率为：
DS3型微倾式水准仪望远镜的放大率一般为28倍左右。
如图2-6所示，十字丝分划板是一块刻有分划线的光学玻璃板。光学玻璃板上相互垂直的细线称为十字丝，竖的一根称为竖丝，横的三根称为横丝，其中中间较长的一根横丝称为中丝，用来读取水准尺上的读数以计算高差；上下较短的两根横丝，分别称为上丝和下丝，上、下丝又合称视距丝，用来测定水准仪至水准尺的水平距离。十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴。
图2-6 十字丝分划板
1—上丝；2—中丝；3—下丝；4—竖丝
（2）水准器。水准器是水准仪的整平装置，分为管水准器和圆水准器两种。管水准器用来判断视准轴是否水平，圆水准器则用来判断仪器竖轴是否竖直。
1）管水准器。管水准器又称为水准管，是一个纵向内壁被磨成圆弧形的玻璃管。其内装酒精和乙醚的混合物，经加热密封冷却，形成一气泡，如图2-7（a）所示。水准管圆弧内壁的最高点称为水准管的零点，过零点与圆弧相切的直线称为水准管轴。当气泡的中心与零点重合时，称为气泡居中。为了便于判断气泡是否居中，在水准管的表面上，自零点向两侧每隔2mm刻有对称的分划线，一般根据气泡的两端是否与分划线的对称位置对齐，来判断气泡是否居中。水准管上，相邻两分划线之间的弧长2mm所对应的圆心角，称为水准管的分划值，一般用τ来表示，如图2-7（b）所示，则：
式中：τ——2mm弧长所对的圆心角；
ρ——ρ=206265″；
R——水准管圆弧半径。
图2-7 管水准器
水准管圆弧半径越大，分划值就越小，则水准管灵敏度就越高，也就是仪器整平的精度越高。DS3型微倾式水准仪的水准管分划值一般为20″/2mm。
为了提高水准管气泡居中的精度，DS3型微倾式水准仪都装有符合棱镜系统，借助符合棱镜系统使水准管气泡一侧的两端成像，使气泡两端的像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗（镜）中，由观测者查看观察窗中气泡两端的像对齐与否，来判断气泡是否居中，如图2-8所示。若气泡两端的像对齐，则表示气泡居中，水准管轴水平；否则表示气泡不居中，这时可转动微倾螺旋，使气泡两端的像对齐。
图2-8 符合水准器
2）圆水准器。圆水准器是一个内壁被磨成球面的玻璃圆盒，同样内装酒精和乙醚的混合物，经加热密封冷却，形成一气泡，如图2-9所示。球面的最高点称为圆水准器的零点，过零点和球心的连线，称为圆水准器轴。当气泡的中心与圆水准器的零点重合时，称为气泡居中。气泡居中时，圆水准器轴竖直，则仪器竖轴亦处于竖直位置。在零点的周围刻有圆形的分划线，相邻两分划线之间的弧长也是2mm，其所对应的圆心角，称为圆水准器分划值。
图2-9 圆水准器
1—气泡；2—圆水准器轴
DS3型微倾式水准仪的圆水准器分划值一般为8′/2mm～10′/2mm，灵敏度较低，因此圆水准器只能用来粗略整平仪器。
（3）基座。基座主要由轴座、脚螺旋和连接板等组成。其作用是用来支撑仪器的上部，并通过连接螺旋使仪器与三脚架相连。调节基座上的三个脚螺旋可使圆水准器气泡居中。
2.微倾式水准仪的基本操作
（1）安置仪器。撑开三脚架，根据观测者的身高，调节三脚架的架腿高度，使高度适中；架头大致水平，将三脚架的三个架腿踏牢，从仪器箱中取出水准仪，用脚架上的连接螺旋将水准仪固连在三脚架的架头上。
（2）粗略整平。粗略整平是指调节基座上的三个脚螺旋使圆水准器的气泡居中，从而使仪器竖轴竖直。具体操作如下：
1）转动望远镜使其视准轴与1、2两个脚螺旋的连线垂直，旋转1、2两个脚螺旋，使圆水准器气泡移到1、2两个脚螺旋连线的中间，如图2-10（a）所示。旋转脚螺旋时，1、2两个脚螺旋的旋转方向是相反的。
2）旋转第3个脚螺旋，使圆水准器气泡居中，如图2-10（b）所示。
3）若发现气泡仍然没有居中，则需重复上述两步操作，直至气泡居中。
图2-10 粗略整平
整平时，气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋的方向是一致的。用双手同时操作两个脚螺旋时，应以左手大拇指的转动方向为准，同时向内或向外旋转。
（3）瞄准目标。
1）目镜调焦。将望远镜对向明亮处，旋转目镜调焦螺旋使十字丝清晰。
2）粗略瞄准。转动望远镜，利用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。
3）物镜调焦。旋转物镜调焦螺旋，使水准尺成像清晰。
4）精确瞄准。旋转水平微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准尺的边缘或中央。
5）消除视差。当物镜调焦不够精确时，水准尺的像并不能成在十字丝分划板上，此时若观测者的眼睛在目镜端上下微动，就会发现十字丝横丝与水准尺影像之间存在相对移动，这种现象称为视差。如图2-11（a）、（b）所示，当眼睛位于目镜的中间时，十字丝交点的读数为a；当眼睛向上或向下时，则会得到不同的读数b或c。只有当水准尺的像与十字丝重合时，不论眼睛在任何位置，读数均为a，如图2-11（c）所示。在观测中，当出现如图2-11（a）、（b）所示的情况时，应继续旋转物镜调焦螺旋，直至水准尺的像精确成在十字丝分划板平面上，确保视差消除。
图2-11 视差
1—水准尺的像；2—十字丝；3—水准尺的像与十字丝重合；4—眼睛
（4）精平与读数。
1）精平。精平是指旋转微倾螺旋使水准管气泡居中，水准管轴水平，从而使视准轴水平。如图2-12（a）所示，观测者应注视符合气泡观察窗，转动微倾螺旋，当水准管气泡两端的像对齐时，水准管轴水平，视准轴亦精确水平。
2）读数。当水准仪精平后，应迅速用十字丝的中丝在水准尺上读数。读数时，应从小到大，即读取米（m）、分米（dm）、厘米（cm）和毫米（mm）四位，其中毫米为估读数；如图2-12（b）所示，读数为0.806m。读完数后，还应检查符合气泡是否仍然居中，若气泡偏离，则需转动微倾螺旋使气泡居中后重新读数。
图2-12 精平读数