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1、15.3 精密水准仪与水准尺5.3.1 精密水准仪的构造特点对于精密水准测量的精度而言，除一些外界因素的影响外，观测仪器水准仪在结构上的精确性与可靠性是具有重要意义的。为此，对精密水准仪必须具备的一些条件提出下列要求。1.高质量的望远镜光学系统为了在望远镜中能获得水准标尺上分划线的清晰影像，望远镜必须具有足够的放大倍率和较大的物镜孔径。一般精密水准仪的放大倍率应大于 40 倍，物镜的孔径应大于 50mm。2.坚固稳定的仪器结构仪器的结构必须使视准轴与水准轴之间的联系相对稳定，不受外界条件的变化而改变它们之间的关系。一般精密水准仪的主要构件均用特殊的合金钢制成，并在仪器上套有起隔热作用的防护罩。
2、3.高精度的测微器装置精密水准仪必须有光学测微器装置，借以精密测定小于水准标尺最小分划线间格值的尾数，从而提高在水准标尺上的读数精度。一般精密水准仪的光学测微器可以读到 0.lmm，估读到 0.Olmm。4.高灵敏的管水准器一般精密水准仪的管水准器的格值为 10/2mm。由于水准器的灵敏度愈高，观测时要使水准器气泡迅速置中也就愈困难，为此，在精密水准仪上必须有倾斜螺旋（又称微倾螺旋）的装置，借以可以使视准轴与水准轴同时产生微量变化，从而使水准气泡较为容易地精确置中以达到视准轴的精确整平。表 5-1 我国水准仪系列及基本技术参数水准仪系列型号技术参数项目S05 S1 S3 S10每公里往返平均高
3、差中误差望远镜放大率望远镜有效孔径管状水准器格值测微器有效量测范围测微器最小分格值0.5mm40 倍60mm10/2mm5mm0.1mm1mm40 倍50mm10/2mm5mm0.1mm3mm30 倍42mm20/mm10mm25 倍35mm20/2mm自动安平水准仪补偿性能补偿范围安平精度安平时间不长于80.12s80.22s80.52s1022s25.高性能的补偿器装置对于自动安平水准仪补偿元件的质量以及补偿器装置的精密度都可以影响补偿器性能的可靠性。如果补偿器不能给出正确的补偿量，或是补偿不足，或是补偿过量，都会影响精密水准测量观测成果的精度。我国水准仪系列按精度分类有 S05 型,S1
4、 型,S3 型等。S 是“水”字的汉语拼音第一个字母,S 后面的数字表示每公里往返平均高差的偶然中误差的毫米数。我国水准仪系列及基本技术参数列于表 5-1。5.3.2 精密水准标尺的构造特点水准标尺是测定高差的长度标准，如果水准标尺的长度有误差，则对精密水准测量的观测成果带来系统性质的误差影响，为此，对精密水准标尺提出如下要求：（1）当空气的温度和湿度发生变化时，水准标尺分划间的长度必须保持稳定，或仅有微小的变化。一般精密水准尺的分划是漆在因瓦合金带上，因瓦合金带则以一定的拉力引张在木质尺身的沟槽中，这样因瓦合金带的长度不会受木质尺身伸缩变形影响。水准标尺分划的数字是注记在因瓦合金带两旁的木质
5、尺身上，如图 5-7（a） 、 （b）所示。 （2）水准标尺的分划必须十分正确与精密，分划的偶然误差和系统误差都应很小。水准标尺分划的偶然误差和系统误差的大小主要决定于分划刻度工艺的水平，当前精密水准标尺分划的偶然中误差一般在 8ll m。由于精密水准标尺分划的系统误差可以通过水准标尺的平均每米真长加以改正，所以分划的偶然误差代表水准标尺分划的综合精度。（3）水准标尺在构造上应保证全长笔直，并且尺身不易发生长度和弯扭等变形。一般精密水准标尺的木质尺身均应以经过特殊处理的优质木料制作。为了避免水准标尺在使用中尺身底部磨损而改变尺身的长度，在水准标尺的底面必须钉有坚固耐磨的金属底板。在精密水准测量
6、作业时，水准标尺应竖立于特制的具有一定重量的尺垫或尺桩上。尺垫和尺桩的形状如图 5-8 所示。（4）在精密水准标尺的尺身上应附有圆水准器装置，作业时扶尺者借以使水准标尺保持在垂直位置。在尺身上一般还应有扶尺环的装置，以便扶尺者使水准标尺稳定在垂直位置。图 5-7图 5-83（5）为了提高对水准标尺分划的照准精度，水准标尺分划的形式和颜色与水准标尺的颜色相协调，一般精密水准标尺都为黑色线条分划，如图 5-7 所示，和浅黄色的尺面相配合，有利于观测时对水准标尺分划精确照准。线条分划精密水准标尺的分格值有 l0mm 和 5mm 两种。分格值为 lOmm 的精密水准标尺如图 5-7（a）所示，它有两排
7、分划，尺面右边一排分划注记从 0300cm，称为基本分划，左边一排分划注记从 300600cm 称为辅助分划，同一高度的基本分划与辅助分划读数相差一个常数，称为基辅差，通常又称尺常数，水准测量作业时可以用以检查读数的正确性。分格值为 5mm 的精密水准尺如图 5-7（b）所示，它也有两排分划，但两排分划彼此错开5mm ,所以实际上左边是单数分划，右边是双数分划，也就是单数分划和双数分划各占一排，而没有辅助分划。木质尺面右边注记的是米数，左边注记的是分米数，整个注记从 0.15.9m，实际分格值为 5mm，分划注记比实际数值大了一倍，所以用这种水准标尺所测得的高差值必须除以 2 才是实际的高差值
8、。分格值为 5mm 的精密水准标尺，也有有一辅助分划的。与数字编码水准仪配套使用的条形码水准尺如图 5-9 所示。通过数字编码水准仪的探测器来识别水准尺上的条形码，再经过数字影像处理，给出水准尺上的读数，取代了在水准尺上的目视读数。5.3.3 Wild N3 精密水准仪WildN3 精密水准仪的外形如图5-10 所示。望远镜物镜的有效孔径为50mm，放大倍率为 40 倍，管状水准器格值为 10/2mm。N3 精密水准仪与分格值为 l0mm 的精密因瓦水准标尺配套使用，标尺的基辅差为301.55cm。在望远镜目镜的左边上下有两个小目镜（在图 5-10 中没有表示出来） ，它们是符合气泡观察目镜和
9、测微器读数目镜，在 3 个不同的目镜中所见到的影像如图 5-11 所示。转动倾斜螺旋，使符合气泡观察目镜的水准气泡两端符合，则视线精确水平，此时可转动测微螺旋使望远镜目镜中看到的楔形丝夹准水准标尺上的 148 分划线，也就是使 148 分划线平分楔角，再在测微器目镜中读出图 5-9图 5-104测微器读数 653(即 6.53mm)，故水平视线在水准标尺上的全部读数为 148.653cm。1.N3 精密水准仪的倾料螺旋装置图 5-12 所示是 N3 型精密水准仪倾斜螺旋装置及其作用示意图。它是一种杠杆结构，转动倾斜螺旋时，通过着力点 可以带动支臂绕支点 转动，使其对望远镜的作DA用点 产生微量
10、升降，从而使望远镜绕转轴 作微量倾斜。由于望远镜与水准器是紧BC密相联的，于是倾斜螺旋的旋转就可以使水准轴和视准轴同时产生微量的变化，借以迅速而精确地将视准轴整平。在倾斜螺旋上一般附有分划盘，可借助于固定指标进行读数，由倾斜螺旋所转动的格数可以确定视线倾角的微小变化量，其转动范围约为 7周。借助于这种装置，可以测定视准轴微倾的角度值，在进行跨越障碍物的精密水准测量时具有重要作用。图 5-11 图 5-12必须指出，由图 5-12 可见仪器转轴 并不位于望远镜的中心，而是位于靠近物C镜的一端。由圆水准器整平仪器时，垂直轴并不能精确在垂直位置，可能偏离垂直位置较大。此时使用倾斜螺旋精确整平视准轴时
11、，将会引起视准轴高度的变化，倾斜螺旋转动量愈大，视准轴高度的变化也就愈大。如果前后视精确整平视准轴时，倾斜螺旋的转动量不等，就会在高差中带来这种误差的影响。因此，在实际作业中规定：只有在符合水准气泡两端影像的分离量小于 lcm 时（这时仪器的垂直轴基本上在垂直位置） ，才允许使用倾斜螺旋来进行精确整平视准轴。但有些仪器转轴 的装置，位于C过望远镜中心的垂直几何轴线上。2.N3 精密水准仪的测微器装置图 5-13 是 N3 精密水准仪的光学测微器的测微工作原理示意图。由图可见，光学测微器由平行玻璃板、测微器分划尺、传动杆和测微螺旋等部件组成。平行玻璃板传动杆与测微分划尺相连。测微分划尺上有 10
12、0 个分格，它与 10mm 相对应，即每分格为0.lmm，可估读至 0.Olmm。每 10 格有较长分划线并注记数字，每两长分划线间的格值为 lmm。当平行玻璃板与水平视线正交时，测微分划尺上初始读数为 5mm。转动测微螺旋时，传动杆就带动平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，并同时带动测微分划尺作相应的移动。平行玻璃板相对于物镜作前俯后仰，水平视线就会向上或向下作平行移动。若逆转测微螺旋，使平行玻璃板前俯到测微分划尺移至 10mm 处，则水平视线向下平移5mm，反之，顺转测微螺旋使平行玻璃板后仰到测微分划尺移至 Omm 处，则水平视线向上平移 5mm。5图 5-13在图 5-13 中，当平行玻璃板
13、与水平视线正交时，水准标尺上读数应为 在两相a,邻分划 148 与 149 之间，此时测微分划上读数为 5mm，而不是 0。转动测微螺旋，平行玻璃板作前俯，使水平视线向下平移与就近的 148 分划重合，这时测微分划尺上的读数为 6.50mm,而水平视线的平移量应为 6.505mm，最后读数 为a=148cm+6.50mm-5mma即 =148.650cm-5mm由上述可知，每次读数中应减去常数（初始读数) 5mm,但因在水准测量中计算高差时能自动抵消这个常数，所以在水准测量作业时，读数、记录、计算过程中都可以不考虑这个常数。但在单向读数时就必须减去这个初始读数。测微器的平行玻璃板安置在物镜前面
14、的望远镜筒内，如图 5-14 所示。在平行玻璃板的前端，装有一块带楔角的保护玻璃，实质上是一个光楔罩，它一方面可以防止尘土侵人望远镜筒内，另一方面光楔的转动可使视准轴倾角 作微小的变化，借以精确i地校正视准轴与水准轴的平行性。近期生产的新 N3 精密水准仪如图 5-15 所示。望远镜物镜的有效孔径为 52mm，并有一个放大倍率为 40 的准直望远镜，直立成像，能清晰地观测到离物镜 0.3m 处的水准标尺。图 5-14 图 5-15光学平行玻璃板测微器可直接读至 0.lmm，估读到 0.Olmm。校验性微倾螺旋装置可以用来测量微小的垂直角和倾斜度的变化。仪器备选附件有自动准直目镜、激光目镜、目镜
15、照明灯和折角目镜等，利用这些附件可进一步扩大仪器的应用范围，可用于精密高程控制测量、形变测量、沉陷监测、工业应用等。5.3.4 Zeiss Ni 004 精密水准仪Zeiss Ni 004 精密水准仪的外形如图 5-16 所示。6图 5-16这种仪器的主要特点是对热影响的感应较小，即当外界温度变化时，水准轴与视准轴之间的交角 的变化很小，这是因为望远镜、管状水准器和平行玻璃板的倾斜设i备等部件，都装在一个附有绝热层的金属套筒内，这样就保证了水准仪上这些部件的温度迅速达到平衡。仪器物镜的有效孔径为 56mm，望远镜放大倍率为 44 倍，望远镜目镜视场内有左右两组楔形丝，如图 5-17 所示，右边
16、一组楔形丝的交角较小，在视距较远时使用，左边一组楔形丝的交角较大，在视距较近时使用，管状水准器格值为10/2mm。转动测微螺旋可使水平视线在 10mm 范围内平移，测微器的分划鼓直接与测微螺旋相连（见图 5-17） ，通过放大镜在测微鼓上进行读数，测微鼓上有 100 个分格，所以测微鼓最小格值为 0.1mm。从望远镜目镜视场中所看到的影像如图 5-17 所示，视场下部是水准器的符合气泡影像。Ni 004 精密水准仪与分格值为 5mm 的精密因瓦水准尺配套使用。在图 5-17 中，使用测微螺旋使楔形丝夹准水准标尺上 197 分划，在测微分划鼓上的读数为 340，即3.40mm，水准标尺上的全部读数为 197.340cm。7
