2.1水准测量原理及使用的仪器和工具

1、水准测量原理水准测量是利用水准仪提供的水平视线和水准尺来测定地面两点间的高差，并由已知点的高程推算出未知点高程的一种测高方法。

（1）高差测量高差是指地面两点间的高程之差。

高程测量的原理如图2-1-1所示。

欲测A、B 两点间高差，可分别在A、B两点竖立水准尺，并在A、B两点间安置水准仪，当水准仪视线水平时，后视A尺读数为a，前视B尺读数为b，则A、B两点高差为：图2-1-1 水准测量原理（2）高程的计算如图2-1-1，根据已知点A的高程HA和测定的高差，可计算点B的高程H B，可用两种方法计算，即：1）高差法：即直接利用A、B两点间的高差h AB来计算B点高程的方法。

2）仪高法：即利用仪器视线高程H A来计算B点高程的方法。

2、水准测量的仪器和工具（1）水准仪水准测量所使用的仪器称为水准仪，辅助工具为水准尺和尺垫等。

水准仪按其精度可分为DS05、DS l、DS3和DSl0四个等级；按结构可分为微倾式水准仪和自动安平水准仪；按造构可分为光学水准仪和电子水准仪。

目前工程测量中，广泛使用DS3级水准仪。

因此，本章着重介绍这类仪器。

1）DS3微倾式水准仪的构造DS3微倾式水准仪主要由望远镜、水准器及基座三部分构成。

如图2-1-2图2-1-2 DS3微倾式水准仪图2-1-2 DS3微倾式水准仪①望远镜如图2-1-3，DS3水准仪望远镜主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板所组成。

物镜和目镜多采用复合透镜组，十字丝分划板上刻有两条互相垂直的长线，竖直的一条称竖丝，横的一条称为中丝，是为了瞄准目标和读取读数用的。

在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测定距离的，称为视距丝。

十字丝分划板是由平板玻璃圆片制成的，平板玻璃片装在分划板座上，分划板座固定在望远镜筒上。

图2-1-3 望远镜的构造十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴或视线。

水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。

望远镜的成像原理如图2-1-4，不同距离的目标AB发出的光线经过物镜和调光透镜折射后，在十字丝平面上形成一个小实像。

再通过目镜，便可看清同时放大了的十字丝和目标影像（虚像）。

从望远镜内所看到的目标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。

DS3级水准仅望远镜的放大率一般为28倍。

图2-1-4 望远镜的成像原理②水准器：水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。

分为管水准器和圆水准器，管水准器用来指示视准轴是否水平；圆水准器用来指示竖轴是否竖直。

a.管水准器又称水准管，是一纵向内壁磨成圆弧形的玻璃管，管内装酒精和乙醚的混合液，加热融封冷却后留有一个气泡，如图2-1-5。

水准管上一般刻有间隔为2mm的分划线，分划线的中点O，称为水准管零点。

通过零点作水准管圆弧的切线，称为水准管轴（L—L）。

水准管圆弧2mm所对的圆心角，称为水准管分划值。

用公式表示为：式中：；R —水准管圆弧半径，单位：mm。

要求DS 3级水准仪分划值不大于20″/2 mm。

图2-1-5 管水准器b.圆水准器如图2-1-6，圆水准器顶面的内壁是球面，其中有圆分划圈，圆圈的中心为水准器的零点。

通过零点的球面法线为圆水准器轴线，当圆水准器气泡居中时，该轴线处于竖直位置。

当气泡不居中时，气泡中心偏移零点2mm，轴线所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值，一般为8′～10′。

由于它的精度较低，故只用于仪器的概略整平。

图2-1-6 圆水准器③基座：基座的作用是文承仪器的上部并与三脚架连接。

它主要由轴座、脚螺旋、底板和三角压板构成。

（2）水准尺和尺垫1）水准尺如图2-1-7，水准尺是水准测量时使用的标尺。

其质量好坏直接影响水准测量的精度。

因此，水准尺需用不易变形且干燥的优质木材制成；要求尺长稳定，分划准确。

常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。

塔尺多用于等外水准测量，其长度有2m和5m两种，用两节或三节套接在一起。

尺的底部为零点，尺上黑白格相间，每格宽度为1cm，有的为0.5cm，每一米和分米处均有注记。

双面水准尺多用于三、四等水准测量。

其长度有2m和3m两种，且两根尺为一对。

尺的两面均有刻划，一面为红白相间称红面尺；另—面为黑白相间，称黑面尺(也称主尺)，两面的刻划均为1cm，并在分米处注字。

两根尺的黑面均由零开始；而红面，一根尺由4.687m开始至6.687m或7.687m，另一根由4.787m开始至6.787m或7.787m。

图2-1-7 水准尺图2-1-8 尺垫2）尺垫如图2-1-8，尺垫是在转点处放置水准尺用的，它用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突起的半球体，下方有三个支脚。

用时将支脚牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。

3、DS3水准仪的使用（1）安置水准仪打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架腿是否安置稳固，脚架伸缩螺旋是否拧紧，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固定在三脚架头上。

（2)仪器的粗略整平仪器的粗略整平是用脚螺旋使圆水准器的气泡居中。

不论圆水准器在任何位置，先用任意两个脚螺旋使气泡移到通过圆水准器零点并垂直于这两个脚螺旋连线的方向上，如图2-1-9中气泡自a移到b，如此可使仪器在这两个脚螺旋连线的方向处于水平位置。

然后单独用第三个脚螺旋使气泡居中，如此使原两个脚螺旋连线的垂线方向亦处于水平位置，从而使整个仪器置平。

如仍有偏差可重复进行。

操作时必须记住以下三条要领：1)先旋转两个脚螺旋，然后旋转第三个脚螺旋；2)旋转两个脚螺旋时必须作相对地转动，即旋转方向应相反。

3)气泡移动的方向始终和左手大拇指移动的方向一致。

图2-1-9 圆水准气泡居中过程（3) 瞄准水准尺1）目镜对光：把望远镜对着明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰。

2) 粗略瞄准目标：松开水平制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。

3) 精确瞄准目标：转动物镜对光螺旋进行对光，使目标清晰，再转动微动螺旋，使竖丝对准水准尺。

4) 消除视差：用眼睛在目镜端上下微微移动时，若发现十字丝与目标影像有相对运动，这种现象称为视差。

产生视差的原因是目标成像的平面和十字丝平面不重合。

由于视差的存在会影响读数的正确性，必须加以消除。

消除的方法是重新仔细地进行物镜对光，直到眼睛上下移动，读数不变为止。

如图2-1-10。

图2-1-10 a)有视差现象图2-1-10 a)没有视差现象(4) 视线的精确整平由于圆水准器的灵敏度较低，所以用圆水准器只能使水准仪粗略地整平。

因此在每次读数前还必须用微倾螺旋使水准管气泡符合，使视线精确整平。

由于微倾螺旋旋转时，经常在改变望远镜和竖轴的关系，当望远镜由一个方向转变到另一个方向时，水准管气泡一般不再符合。

所以望远镜每次变动方向后，也就是在每次读数前，都需要用微倾螺旋重新使气泡符合。

如图2-1-11。

图2-1-11(5) 读数用十字丝中间的横丝读取水准尺的读数。

从尺上可直接读出米、分米和厘米数，并估读出毫米数，所以每个读数必须有四位数。

如果某一位数是零，也必须读出并记录。

不可省略，如1.002m、0.007m、2.100m等。

由于望远镜一般都为倒像，所以从望远镜内读数时应由上向下读，即由小数向大数读。

读数前应先认清水准尺的分划特点，特别应注意与注字相对应的分米分划线的位置。

为了保证得出正确的水平视线读数，在读数前和读数后都应该检查气泡是否符合。

如图2-1-12。

图2-1-12 水准尺读数实训练习一水准仪的认识和使用（1）目的与要求1）了解DS3型水准仪的构造、主要构件的名称及其作用；2）练习水准仪的安置、瞄准与读数。

3）测量地面两点间的高差。

（2）实验设备DS3型水准仪，记录板，水准尺，测伞。

（3）方法与步骤1）安置仪器：张开三角架，用螺栓将仪器连接在三脚架上。

2）认识仪器：了解仪器各部件的名称及其作用并熟悉其使用方法。

同时熟悉水准尺的分划注记。

3）粗略整平：转动脚螺旋，使圆水准器气泡移至居中位置。

4）瞄准：调十字丝；瞄准水准尺，转动对光螺旋，使目标清晰。

5）精平、读数：转动微倾螺旋使符合水准管气泡两端的半影像吻合后读数。

（4）实验结果1）记录水准尺上读数2）计算①A点比B点（高、低）（）m。

②A点比C点（高、低）（）m。

③B点比C点（高、低）（）m。

④假设C点的高程HC=（）m，求A点和B点的高程HA=（）m，HB=（）m，水准仪的视线高Hi=（）m。

3）完成下列填空1）安置仪器后，转动（）使圆水准气泡居中，转动（）看清十字丝，通过（）瞄准水准尺，转动（）精确照准水准尺，转动（）消除视差，转动（）使符合水准气泡居中，最后读数。

2）消除视差的步骤是转动（）使（）清晰，再转动（）使（）清晰。

（5）注意事项1）安置仪器时应将仪器中心连接螺旋拧紧，防止仪器从脚架上脱落下来。

2）水准仪为精密光学仪器，在使用中要按照操作规程作业，各个螺旋要正确使用。

3）在读数前务必将水准器的符合水准气泡严格符合，读数后应复查气泡符合情况，现气泡错开，应立即重新将气泡符合后再读数。

4）转动各螺旋时要稳、轻、慢，不能用力太大。

5）发现问题，及时向指导教师汇报，不能自行处理。

6）水准尺必须要有人扶着，决不能立在墙边或靠在电杆上，以防摔坏水准尺。

7）螺旋转到头要返转回来少许，切勿继续再转，以防脱扣。

实习报告：日期：班级：组别：姓名：学号：1. 在下图引出的标线上标明仪器该部件的名称。

2. 用箭头标明如何转动三只脚螺旋，使下图所示的圆水准器气泡居中。