水准仪构造及水准测量误差简介.

水准仪构造及水准测量误差

本文以DS3水准仪为例介绍水准仪构造，并对精密、自动安平、电子水准仪做简单介绍，另外还介绍了测量作业中常见的水准测量误差及消减措施。

1 常规水准仪的介绍

水准测量所使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。水准仪的作用是提供一条水平视线。

水准仪按其精度可分为DS05、DSl 、DSZ2、DS3、DSZ3和DSl0等，字母和数字有何含义呢？字母DS 代表“大地测量”和“水准仪”，取其第一个字母；数字表示精度，即每公里往返高差的中误差，05表示每公里往返高差的中误差0.5mm ，10表示每公里往返高差的中误差10mm ，数字越小表示精度越高。按自动化程度分：微倾式、自动安平、电子水准仪。DS1以上精度的水准仪称为精密水准仪，主要用于一、二等高程控制测量中；DSZ2、DS3、DSZ3级水准仪或自动安平水准仪广泛用于三、四等高程控制测量、图根控制和工程测量中。

1.1 DS3水准仪的结构

水准仪主要有望远镜、水准器及基座三部分组成（见图1）。水准仪的结构在测绘仪器中是比较简单的，外部可操作的螺旋有制动螺旋、微动螺旋、微倾螺旋、调焦螺旋、脚螺旋、目镜调焦螺旋等。

图1 水准仪结构示意图

下面来看望远镜的结构

（1）望远镜

DS3水准仪望远镜主要由物镜、物镜调焦螺旋、调焦透镜、十字丝分划板、目镜、目镜调焦螺旋等组成。物镜和目镜多采用复合透镜组，调焦透镜为凹透镜。（见下图）这条水平线和竖直线是相互垂直的，分别称为

横（或中丝）和竖丝，竖丝用来瞄准目标的，横丝用来读数的。上下丝（称为视距丝），是用来测定距离的。

在这里，我们要掌握一个很重要的概念，

视准轴CC ——物镜中心与十字丝分划板中心的连线。这条线不是实际存在的线，而是一条虚线。

其重要性在于：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。

图2 望远镜成像原理示意图

当观测目标通过物镜组后，形成一个倒立的缩小实像，调节物镜调焦螺旋使缩小的实像清晰地反映在十字丝分划板上，目镜的作用是放大，人眼通过目镜可以看到同时放大了的十字丝和目标影像。DS3的放大倍数

（28）（从望远镜内所看到的目标影像的视角与人眼直接观察该目标的视角之比。）

（2）水准器：

水准器是用来指示视线是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。有圆水准器和管水准器两种。圆水准器用来指示竖轴是否竖直；管水准器用来指示视准轴是否水平。

①圆水准器

这是圆水准器(见图3) ，这是平面图，这是剖面图。圆水准器的内壁是球面，中间有小圆圈，圆圈的中心就是圆水准器的零点。通过零点的球面法线为圆水准器轴线L ′L ′（见图3）。当气泡居中时，该轴线处于竖直位置。当气泡中心偏移零点2mm ，轴线所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值。其分划值为：8′－10′。

由于它的精度较低，故只用于仪器的概略整平。

图3 圆水准器示意图

②管水准器

又称水准管（见图4）。里面固装了酒精和乙醚的混合液而成气泡。由于气泡较轻，所以处于管内最高位置。

图4 管水准器示意图

这是水准管的平面图，这是剖面图。水准管上一般刻有间隔为2mm 的分划线，分划线的中点称为水准管零点。通过零点作水准管圆弧的切线，称为水准管轴LL 。当水准管的气泡居中时，说明水准管轴处于水平位置。水准管圆弧2mm 所对的圆心角称为水准管分划值，其分划值不大于20”／2mm 。

如图，DS3微倾式水准仪的管水准器是安装在仪器的侧面，观测起来不方面，这样就难以保证其精度。为了提高水准管气泡居中的精度，DS3微倾式水准仪采用符合水准管系统。也就是安装一组符合棱镜，通过反射作用，使气泡两端的像反映在符合气泡观察窗口中。若气泡两端的半像吻合成光滑的抛物线，就表示气泡居中。若气泡的半像错开，则表示气泡不居中，这时，应转动微倾螺旋，使气泡的半像吻合。

③基座

基座的作用是将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。脚螺旋的作用是整平仪器。

1.2 水准仪的主要轴系及其关系

水准仪的主要轴线包括如下几个：视准轴CC 、水准管轴LL 、圆水准器轴L ′L ′、仪器竖轴VV 。

其必须满足的几何条件：

（1）水准管轴∥视准轴 （通过调节符合水准器），因为视准轴是一条看不见的轴线，仪器厂家设置了水准轴平行视准轴，这样一来，只要水准管轴水平了，则视准轴就水平了。若水准管轴与视准轴不平行则会产生i 角误差，可通过保持测站前后视距相等来消除。

（2）圆水准器轴∥仪器竖轴 （通过调节圆水准器）与上同样道理。

（3）十字丝横丝⊥仪器竖轴3.2.3、水准尺和尺垫

1.3 水准仪的水准尺及尺垫

水准尺和尺垫是水准测量的工具。水准尺有木质的和铝合金材质的，有塔尺、普通单面尺、双面尺等。单面尺、塔尺多用于等外水准测量。尺的底部为零点，尺上黑白格或红白格相间，每格宽度为1cm ，有的为0.5cm ，整10分米处有注记。

双面水准尺多用于三、四等水准测量。其长度一般为3m ，且成对出现，分A 和B 尺。尺的两面均有刻划，一面为为黑白相间，称黑面尺(也称主尺) ；另—面红白相间称红面尺(也称辅尺) 。A 、B 尺黑面0~3m; A尺红面

4.687~7.687m, B尺红面4.787~7.787m。

如何区分4687和4787呢？如果红面尺低端的第一个注记数字为47，则尺的起点为4687，尺的低端与第一个注记数字差13mm ；同理，如果为48，则为4787.

尺垫：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。

注意：已知高程点和待求高程点上不能放尺垫。

1.4 水准仪的使用

水准仪的使用包括仪器的安置、粗略整平、瞄准水准尺、精平和读数等操作步骤。

（1）安置水准仪

在两标尺的大致中间处安置仪器。

操作步骤为：松开架腿蝶形螺旋，按需调整其高度，旋紧蝶形螺旋，打开三脚架，使其架头大致水平，踩实架腿。打开仪器箱（注意仪器的放置），取出仪器安置在架头上，旋紧中心螺旋。

（2）粗略整平

粗略整平也称为粗平，通过调节脚螺旋使圆水准器的气泡居中。具体操作如下：

①调节1/2脚螺旋使气泡运动到1/2脚螺旋的大致中垂线上

②调节第3个脚螺旋使气泡居中

③调节第3个脚螺旋使气泡居中反复以上操作，直至气泡居中。 在整平的过程中，气泡的运动规律：气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向—致。

（3）瞄准水准尺

①目镜调焦

首先进行目镜对光，即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粗瞄目标

再松开制动螺旋，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物镜调焦

然后从望远镜中观察；转动物镜调焦螺旋使目标清晰。

④精瞄目标

再转动微动螺旋，使竖丝对准水准尺

眼睛在目镜端上下微微移动，若发现十字丝与目标影像有相对运动的现象称为视差，正如照相机照相时视野模糊一样。那么，产生视差的原因是什么呢？主要是目标像没有落在十字丝平面上，也就是说目标成像平面与十字丝平面不重合而产生的。由于视差的存在会影响到读数的正确性，必须加以消除。消除的方法是仔细地进行物镜对光，即反复调节目镜调焦螺旋和物镜调焦螺旋，直到眼睛上下移动，读数不变为止。没有视差的标志是目标像和十字丝都十分清晰。

（4）精平与读数

此时，水准轴不一定水平。精平的目的是：使水准管气泡居中，水准轴水平。那如何操作呢？眼睛观察符合气泡观察窗口，转动微倾螺旋，使气泡像吻合，即表示水准仪的视准轴已精确水平。这时，即可读数（见图

5）。现在的水准仪多采用倒像望远镜，因此读数时应从小往大，即从上往下读。先估读毫米数，然后报出全部读数。

注意：每次读数前必须精平，精平后立即读数。

图5 微倾式水准仪符合气泡示意图

2 精密、自动安平水准仪及电子水准仪

2.1 精密水准仪

精密水准仪（DS05、DS1）主要用于国家一、二等水准测量和高精度的工程测量中；例如建构筑物的沉降观测，大型桥梁工程的施工测量和大型精密设备安装的水平基准测量等。

（1）结构

精密水准仪与一般水准仪比较，其特点是能够精密地整平视线和精确地读取读数。因此，在结构上比DS3多了测微螺旋、测微器读数镜。

（2）特点

①水准器具有较高的灵敏度。如DS1水准仪的管水准器τ值为10″/2mm。

②望远镜具有良好的光学性能。如DS1水准仪望远镜的放大倍数为38倍，望远镜的视场亮度较高。十字丝的中丝刻成楔形，能较精确地瞄准水准尺的分划。

③具有光学（平板玻璃）测微器装置。可直接读取0.1mm 或0.05mm ，估读到0.01mm 。提高读数精度。可以产生的最大视线平移量为10mm ，它对应测微尺上的100个分格。测微尺上1个分格等于0.1mm ，如在测微尺上估读到0.1分格，则可以估读到0.01mm 。

④视准轴与水准轴之间的联系相对稳定。精密水准仪均采用钢构件，并且密封起来，受温度变化影响小。

（3）标尺

精密水准尺木质的，中间挖槽嵌有一根铟瓦合金刻度尺，长度3m 。基辅分划：基本分划的注记从零开始，辅助分划的注记从某一常数K 开始，K 称为基辅差（K=3.01550m）。

（4）读数方法

①精确整平后，转动测微螺旋，使十字丝的楔形丝精确夹准某一整分

划线。

②读数时，将整分划值和测微器中的读数合起来。

由于自动安平水准仪的普及，这种老式的精密水准仪在实际的测量工作中已经很少使用了。

2.2 自动安平水准仪

自动安平水准仪无水准管和微倾螺旋，只有一个圆水准器，安置仪器时，只要使圆水准器气泡居中后，借助一种“补偿器”的特别装置，使视线自动处于水平状态。

（1）特点

①视准轴自动安平；

②提高水准测量精度；

③减少操作步骤，提高工作效率。

（2）视线自动安平的原理

当圆水准器气泡居中后，视准轴仍存在一个微小倾角α，在望远镜的光路上安置了一个补偿器，把它吊在屋脊棱镜上。当望远镜倾斜时，直角棱镜在重力的作用下，与望远镜反向偏转，在阻尼器的作用下很快静止，从而使视准轴水平。

由于无需精平，这样不仅可以缩短水准测量的观测时间，而且对于施工场地地面的微小震动、松软土地的仪器下沉以及大风吹刮等原因引起的视线微小倾斜，能迅速自动安平仪器，从而提高了水准测量的观测精度。

（2）自动安平水准仪的使用

使用自动安平水准仪时，首先将圆水准器气泡居中，然后瞄准水准尺，等待2～4秒后，即可进行读数。有的自动安平水准仪配有一个补偿器检查按钮，每次读数前按一下该按钮，确认补偿器能正常工作，然后再读数。

2.3 电子水准仪简介

2.3.1 电子水准仪的组成

如图6所示，这就是电子水准仪，和自动安平水准仪一样具有圆准仪器、制动/微动螺旋、自动安平补偿器、望远镜等。但是望远镜部分结构要复杂得多，分光镜（将由物镜进入的复合光分为可见光和红外光）、行阵探测器（识别水准尺上的条码，进行读数，有如超市购物的条码扫描器）、调焦发送器（计算概略视距值）、补偿监视器（监测安平补偿器的工作状态）。

图6 天宝DiNi 电子水准仪

2.3.2 电子水准仪特点

（1）操作简捷，具有自动安平、自动观测和记录，并立即用显示测量结果。

（2）整个观测过程在几秒钟内即可完成，从而大大减少观测错误和误差。

（3）仪器还附有数据处理器及与之配套的软件，从而可将观测结果输入计算机后进行处理，实现测量工作自动化和流水线作业，大大提高功效。

（4）必须配备条形码标尺。

2.3.3 电子水准仪的使用

观测时，电子水准仪在人工完成安置与粗平、瞄准目标（条形编码水准尺）后，按下测量键后约3～4秒就显示出测量结果。其测量结果可贮存在电子水准仪内或通过电缆连接存入机内记录器中。

另外，观测中如水准标尺条形编码被局部遮挡＜30％，仍可进行观测。

2.4 光学水准仪与电子水准仪的应用

由于电子水准仪的工作效率较高且测得的数据质量较为稳定，目前

一、二等水准等精密水准测量一般使用电子水准仪进行测量；精密光学水准仪和自动安平光学水准仪一般用于三、四等水准测量和等外水准测量（如施工高程放样和施工断面测量）。

3 水准测量的误差及消减方法

3.1 仪器误差

（1）水准仪的误差——有视准轴与水准管轴不平行的误差，望远镜调焦时运行误差，可使前后视距相等加以消除。

（2）水准尺误差——包括水准尺尺长误差、刻划误差及零点差等。一般可成对使用并使测站数为偶数站来减弱或消除其影响。

3.2 光学水准仪i 角检验校正

3.2.1 水准仪i 角误差产生的原因

由于仪器制造的原因或者水准仪在使用及运输过程中受到震动或触碰导致仪器的视准轴与水准管轴不平行，使得观测时的视线与水平面形成一个夹角，这个夹角称之为i 角，其引起的测量误差称为i 角误差。

水准测量前要对水准仪进行i 角检验，超过限差要求时必须校正后方可使用，且之后须定期进行检验校正。不同精度水准仪的i 角限差不同，且电子水准仪的i 角限差较大，本文仅对讨论光学水准仪i 角限差要求。其中DS05及以上≤8′，DS1≤10′，DSZ2、DSZ3及DS3≤12′，超过限差须先进行校正，校正合格方可使用。

3.2.2 水准仪i 角检验校正方法

光学水准仪检验一般采用中间距离法，具体方法及过程如表1所示。

表1 水准仪i 角检验表

如表1所示，当仪器架设在AB 延长线上时，为便于进行校正，仪器距离B 点的距离约5米。若检验得到的i 角为正值，视准轴向上倾斜；反之，视准轴向下倾斜。仪器架设在AB 中间时，i 角误差的影响已消除，测得的高差可视为准确值；而由于仪器架设在AB 延长线上时距离B 点很近，i 角对B 点水准尺的上的读数造成的误差很小，可暂时忽略，根据仪器架设在中间测得的高差及仪器架设在AB 延长线上B 点的读数可计算出水准仪i 角误差

' +h AB ，扭开目镜的外盖，使用校正针调教上为0时A 点的理论读数a L =b 2

下的校正螺丝，使A 点的读数为a L 。重复进行以上检验校正，进行校正结

果复核，以保证校正无误。

3.3 观测误差

（1）水准管气泡居中误差——其误差为仪器整平时产生的误差。

（2）读数误差——与人眼分辨能力、望远镜放大率及视线长度有关。

（3）水准尺倾斜误差——使读数增大，观测时须竖直尺，避免误差。

3.4 外界条件影响产生的误差

（1）仪器下沉（踩紧脚架、减少观测时间）

（2）尺垫下沉（尺垫踩实、往返测取中数）

（3）地球曲率和大气折光（前后视距相等可消除）

（4）大气温度和风力（打伞遮阳、选择好的天气）

3.5 自动安平水准仪和数字水准仪的误差

因自动安平水准仪和数字水准仪的结构尤其独特性，所以其误差也与DS3水准仪的误差是有区别的，其主要有圆水准器位置不正确误差、补偿器误差、视准轴误差以及十字丝分划板与CCD 传感器光敏面不一致的误差。下面一一进行讲解，这部分的内容只作了解就即可。

3.5.1 圆水准器位置不正确误差

圆水准器的精度为8′/2mm，如果位置不正确，则将导致竖轴倾斜, 与补偿器共同形成水平面倾斜误差，这个误差属于系统误差。这个误差有什么影响呢？只是影响精密水准，而对普通水准无影响。

措施：校正。方法是整平使气泡居中后，旋转180度后，调整偏差值的1/2，然后转90度，再重复以上操作；重复以上操作直至旋转至任何方向气泡均居中。

3.5.2 补偿器误差

主要是①补偿性能误差和②补偿器的安置误差。出厂时应使①≤±

0.2″， ② ≤±0.3″。

措施：避磁场。磁场能够产生补偿器误差，虽然厂家已采取了防磁措施，但在使用时还是要避免磁场的影响。如果在发电厂、变压器枢纽、电视发射台、高压输电线、电气化铁路等附近作业时，要注意防磁。

3.5.3 视准轴误差

分光学和电子i 角，受温度、磁场，望远镜调焦影响。数字水准仪一般是指温度20°、目标无穷远时的i 角。i 角的变化对测量成果影响很大。 措施：中间距离法，仪器检校。

3.5.4 十字丝分划板与CCD 传感器光敏面不一致的误差

除十字丝分划板上的十字丝外，CCD 传感器光敏面上也有“十字丝”用于电子读数。二者应位于望远镜系统的焦面上，且严格重合。如不重合度较高，则会对精密水准测量成果产生较大影响

措施：送厂家检校。