精密水准仪和水准尺

知识目标技能目标了解精密水准仪的构造及特点了解水准尺的构造及特点初步掌握精密水准仪的使用方法能够操作精密水准仪进行观测读数能描述精密水准仪和水准尺的构造特点及要求第24讲精密水准仪和水准尺1精密水准仪和水准尺5/9/2024一、精密水准仪与水准尺

我国水准仪系列按精度分类有S03、S1、S3、S10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。1.精密水准仪构造特点（1）高质量的望远镜光学系统（2）坚固稳定的仪器结构（3）高精度的测微器装置（4）高灵敏度的管水准器（5）高性能的补偿器装置（自动安平）第24讲精密水准仪和水准尺2精密水准仪和水准尺5/9/20243精密水准仪和水准尺5/9/20242.精密水准尺构造特点(1)空气温度和湿度变化，水准标尺因瓦合金带分划间的长度保持稳定或仅有微小的变化。(2)水准标尺的分划十分正确与精密，分划的偶然误差和系统误差都应很小。(3)水准标尺在构造上保证全长笔直，并且尺身不易发生长度和弯扭等变形。(4)在精密水准标尺的尺身上附有圆水准器装置。(5)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，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。4精密水准仪和水准尺5/9/2024(6)在精密水准测量作业时，水准标尺应竖立于特制的具有—定重量的尺垫或尺桩上。精密水准标尺分划的分格值有10mm和5mm两种。分格值为10mm的精密水准标尺，如图(a)所示。它有两排分划，尺面右边一排分划注记从0～300cm，称为基本分划，左边一排分划注记从300～600cm，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(301.55cm)，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。5精密水准仪和水准尺5/9/2024分格值为5mm的精密水准尺，如图(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—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0.1～5.9m，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。6精密水准仪和水准尺5/9/20243.WildN3精密水准仪1一望远镜目镜；2一水准气泡反光镜；3—倾斜螺旋；4—调焦螺旋；5一平行玻璃板测微螺旋；6一平行玻璃板旋转铀；7一水平微动螺旋；8—水平制动螺旋；9一脚螺旋；10—脚架。7精密水准仪和水准尺5/9/2024读数：精平仪器后，转动测微器螺旋使望远镜目镜中看到的楔形丝夹准水准标尺上148读数对应的分划线，即使148分划线平分楔角，再在测微器目镜中读出测微器读数653(即6.53mm)，故水平视线在水准标尺上的全部读数为148.653cm。8精密水准仪和水准尺5/9/2024（1）精密水准仪的倾斜螺旋装置（2）精密水准仪的测微器装置

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。9精密水准仪和水准尺5/9/2024测微原理：测微分划尺上有100个分格，它与10mm相对应，即每分格为0.1mm，可估读至0.01mm。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1mm。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0mm处，则水平视线向上平移5mm。10精密水准仪和水准尺5/9/20244.国产S1型精密水准仪

S1型精密水准仪是北京测绘仪器厂生产的，其外形如图所示。仪器物镜的有效孔径为50mm，望远镜放大倍率为40倍，管状水准器格值为10″／2mm。转动测微螺旋可使水平视线在5mm范围内作平移，测微器分划尺有100个分格，故测微器分划尺最小格值为0.05mm。

11精密水准仪和水准尺5/9/2024望远镜目镜视场中所看到的影像如图所示，视场左边是水准器的符合气泡影像，测微器读数显微镜在望远镜目镜的右下方。12精密水准仪和水准尺5/9/2024读数：在图中，使用测微螺旋使楔形丝夹准198分划，在测微器读数显微镜中的读数为250，即2.50mm，水准标尺上的全部读数为198250(或198.250cm)。13精密水准仪和水准尺5/9/20245.补偿式自动安平水准仪原理：光学补偿仪

当仪器的视准轴水平时，在十字丝分划板o的横丝处得到水准标尺上的正确读数A，当仪器的垂直轴没有完全处于垂直位置时，视准轴倾斜了α角，这时十字丝分划板移到o1，在横丝处得到倾斜视线在水准标尺上的读数A1，而来自水准标尺上正确读数A的水平视线并不能进入十字丝分划板o1，这是由于视准轴倾斜了α角，十字丝分划板位移了距离a，在离十字丝分划板g的地方安置一种光学元件，将来自水平标尺上读数A的水平视线通过光学元件偏转β角（或平移a）而正确地落在十字丝分划板o1的横丝处，这时来自倾斜视线的光线通过该光学元件将不再落在十字丝分划板o1的横丝处，这种光学元件叫光学补偿仪。

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ααaβoA1g14精密水准仪和水准尺5/9/2024二、精密水准仪的检验(1)水准仪的检视；(2)概略水准器(圆水准器)的检校；(3)光学测微器隙动差和分划值的测定；(4)i角误差检校等。

对于新购货的仪器还需要进行调焦透镜运行误差的测定；倾斜螺旋隙动差、分划误差和分划值的测定；自动安平仪器补偿误差和磁致误差的测定。用于跨河水准测量的仪器，要进行符合水准器分划值的测定。15精密水准仪和水准尺5/9/20241.光学测微器隙动差和分划值的测定（1）测微器分划值的测定

利用一根分划值经过精密检定的特制分划尺和测微器分划尺进行比较求得。将特制分划尺竖立在与仪器等高的—定距离处，旋转测微螺旋，使楔形丝先后对准特制分划尺上两相邻的分划线，这时测微器分划尺移动了L格。现设特制分划尺上分划线间隔值为d，测微器分划尺一个分格的值为g，则g=d/L16精密水准仪和水准尺5/9/2024(2)光学测微器隙动差的测定

主要是比较旋进测微螺旋和旋出测微螺旋，照准特制分划尺上同一分划线在测微器分划尺上的读数，如果读数差Δ超过2格时，表明测微器效用不正确，其主要原因是由于测微器装置不完善。为了避免这种误差的影响，—般规定在作业时只采用旋进测微螺旋进行读数。Δ过大时，应送工厂修理。17精密水准仪和水准尺5/9/20242.视准轴与水准轴相互关系的检验与校正

水准仪的水准轴与视准轴应保持平行且在同一平面关系。水准仪的水准轴与视准轴一般既不在同一平面内，也不互相平行，而是两条空间直线，

i角误差：水准轴与视准轴在垂直面上投影的交角

φ角误差（交叉误差）：水准轴与视准轴在水平面上投影的交角。18精密水准仪和水准尺5/9/2024(1)i角误差的检验与校正

原理：利用i角对水准标尺上读数的影响与距离成比例这一特点，从而比较在不同距离的情况下，水准标尺上读数的差别而求出i角。

方法：

在较平坦的场地上选择一定长度3s（如61.8m)的直线段，三等分，得四点，其中两端点J1、J2设为仪器站，中间点A、B设为立标尺点。如图所示。19精密水准仪和水准尺5/9/2024

在J1测站上，照准水准尺A和B，读数为a1和b1，当i=0时，水平视线在水准尺上的正确读数应为a1’和b1’，所以由于i角引起的误差分别为Δ和2Δ。同样，在J2测站上，照准水准尺A和B，读数为a2和b2，正确读数应为a2’和b2’，其误差分别为2Δ和Δ。在测站J1和J2上得到A、B点的正确高差分别为：20精密水准仪和水准尺5/9/2024不顾及其他误差影响，则应相等有：2Δ=（a2-b2)-(a1-b1)即：2Δ=h2-h12Δ=(h2-h1)/2由图可得：

若s=61.8/3=20.6m，则有：i′=10Δ

规范规定，精密水准仪i角大于15′应校正。21精密水准仪和水准尺5/9/20243.倾斜螺旋隙动差和分划值的测定

原理：在精密水准测量中，倾斜螺旋的作用是在水准标尺上读数前将水准气泡影像精确符合，以达到视准轴的精确整平。按倾斜螺旋法进行跨河水准测量时，要用倾斜螺旋测定视线的微小倾角，因此，必须测定其分划值。倾斜螺旋旋进和旋出在分划鼓上的读数之差，为倾斜螺旋的隙动差，用以判断倾斜螺旋效用的正确性。水准规范规定，倾斜螺旋隙动差对于一、二等精密水准测量应小于2.0”。否则认为倾斜螺旋效用不正确，在作业中应严格地只准用旋进倾斜螺旋使水准气泡两端精密符合。

22精密水准仪和水准尺5/9/2024检定：

在检定室内进行。检定前2～3h将仪器置于室内检验仪的台座上，检验室内的温度应使其在2～3h内不超过20C的变化。检验时，由往测和返测构成一个测回，往测按旋进方向使用倾斜螺旋，在返测时倾斜螺旋的旋转方向与往测时相反。水准规范规定，检验要进行两个测回。23精密水准仪和水准尺5/9/20244.调焦透镜运行误差的测定

原理：

由于调焦透镜运行误差使调焦透镜运行不正确，对于内对光望远镜来说，就是在调焦时，仪器的等效光心移动的轨迹是一条直线，不管这条直线是与主光轴的方向重合，或是与主光轴的方向成一微小的交角，对同一直线上不同距离的目标调焦时，视准轴都保持同一方向不变，因此对水准测量并无不利影响。如果在调焦时，等效光心移动的轨迹不是一条直线，则说明调焦透镜移动时有晃动现象，对同一直线上不同距离的目标调焦时，视准轴的方向将发生变化，这就对观测时读数带来误差影响。检定：24精密水准仪和水准尺5/9/20245.自动安平水准仪补偿误差的测定

原理：自动安平水准仪的补偿器是否能完全、正确给出由于仪器垂直轴倾斜而产生的补偿量主要取决于补偿器的性能，往往由于补偿器装配技术不完善等原因，使补偿器对垂直轴倾斜无法给出正确的补偿量，不是补偿不足，就是补偿过量。在图中，α是仪器及望远镜倾斜角值，αk是补偿器给出的补偿倾斜值，Δα是无法补偿的补偿剩余误差部分，在单一方向观测时读数影响为Δrα

，则对一个测站观测高差的影响显然为2Δrα

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为了消除这种系统误差的影响，在测站上可以采用定人法整平圆水准器，也就是奇数站照准后视方向整平圆水准器，偶数站照准前视方向整平圆水准器，使倾斜视线在相邻测站上作相反方向的倾斜，从而在相邻两测站上观测高差之和中抵消这种误差影响，因此．每一测段的水准测量路线安排成偶数站的规定是必要的。检验：是通过比较的方法进行的。在精密测定高差的两点上，使仪器在不同方向倾斜时，测定两点的高差，用这些高差与精密测定的高差相比较，来判明其补偿性能，顾及到检验的误差，其差值在规定的范围内，就认为补偿器性能是良好的。26精密水准仪和水准尺5/9/20246.精密水准标尺的检验

按水准规范规定，在作业前应检验的项目：(1)标尺的检视；(2)标尺上的圆水准器的检校；(3)标尺分划面弯曲差的测定；(4)标尺名义米长及分划偶然中误差的测定；(5)标尺尺带拉力的测定；(6)一对水准标尺零点不等差及基辅分划读数差的测定。对于新购置的水准标尺还需进行标尺中轴线与标尺底面垂直性等项目的检验27精密水准仪和水准尺5/9/2024（1）水准标尺分划面弯曲差的测定

原理：水准标尺分划尺面如有弯曲，观测时将使读数失之过大。水准标尺分划面的弯曲程度用弯曲差来表示，弯曲差愈大，表示愈弯曲。所谓弯曲差f：通过分划面两端点的直线中点至分划面的距离。

影响：设弯曲的分划面长度l，分划面两端点间的直线长度，则尺长变化Δl＝l–L，则尺长变化与弯曲差f的关系式为：Δl=8f2/3l设标尺的名义长度l＝3m；测得f＝4mm，则Δl=0.014mm，影响每米分划平均真长为0.005mm，对高差的影响是系统性的。28精密水准仪和水准尺5/9/2024测定：

在水准标尺的两端点引张一条细线，量取细线中点至分划面的距离，即为标尺的弯曲差。水准规范规定，对于线条式因瓦水准标尺，弯曲差f不得大于4mm，超过此限值时，应对水准标尺施加尺长改正。29精密水准仪和水准尺5/9/2024（2）标尺名义米长及分划偶然中误差的测定

原理：按水准规范规定，精密水准标尺在作业开始之前和作业结束后应送专门的检定部门每米真长的检验，取一对水准标尺的检定成果的中数作为一对水准标尺平均每米真长。平均米真长偏差：一对水准标尺的平均每米真长与名义长度1m之差，以f表示，则:f=平均米真长-1m用于精密水准测量的水准标尺，水准规范规定，如果一对水准标尺的平均米真长偏差大于0.1mm，就不能用于作业。当一对水准标尺平均米真长偏差大于0.02mm，则应对水准测量的观测高差施加每米真长改正δ，从而得到改正后的高差h’，即：h’=h+δ=h+fh

式中，h以m为单位，f以mm/m为单位。

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水准标尺的分米分划误差，也应由专门的检定单位进行检验，其值应不大于0.1mm。在作业期间可用一级线纹米尺对一对水对标尺的平均米真长作监测，而不作观测成果的改正用。检定：用锌白铜制成的一级线纹米尺检定。其长度略长于一米，尺的两边都刻有分划线，一边分划间隔为1mm，另一边分划间隔为0.2mm，测定水准标尺每米分划间隔时，用0.2mm的分划，可估读到0.02mm，尺上附有一对可以移动的放大镜，用以观察尺面的细小分划。尺面中央还装有温度计。