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對(duì)于精密水準(zhǔn)測(cè)量的精度而言，除一些外界因素的影響外，觀測(cè)儀器——水準(zhǔn)儀在結(jié)構(gòu)上的精確性與可靠性是具有重要意義的。為此，對(duì)精密水準(zhǔn)儀必須具備的一些條件提出下列要求。

1、高質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)

為了在望遠(yuǎn)鏡中能獲得水準(zhǔn)標(biāo)尺上分劃線的清晰影像，望遠(yuǎn)鏡必須具有足夠的放大倍率和較大的物鏡孔徑。一般精密水準(zhǔn)儀的放大倍率應(yīng)大于40倍，物鏡的孔徑應(yīng)大于50mm。

2、堅(jiān)固穩(wěn)定的儀器結(jié)構(gòu)

儀器的結(jié)構(gòu)必須使視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸之間的聯(lián)系相對(duì)穩(wěn)定，不受外界條件的變化而改變它們之間的關(guān)系。一般精密水準(zhǔn)儀的主要構(gòu)件均用特殊的合金鋼制成，并在儀器上套有起隔熱作用的防護(hù)罩。

3、高精度的測(cè)微器裝置

精密水準(zhǔn)儀必須有光學(xué)測(cè)微器裝置，借以精密測(cè)定小于水準(zhǔn)標(biāo)尺最小分劃線間格值的尾數(shù)，從而提高在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的讀數(shù)精度。一般精密水準(zhǔn)儀的光學(xué)測(cè)微器可以讀到0.1mm，估讀到0.01mm。

4、高靈敏的管水準(zhǔn)器

一般精密水準(zhǔn)儀的管水準(zhǔn)器的格值為10"/2mm。由于水準(zhǔn)器的靈敏度愈高，觀測(cè)時(shí)要使水準(zhǔn)器氣泡迅速置中也就愈困難，為此，在精密水準(zhǔn)儀上必須有傾斜螺旋（又稱微傾螺旋）的裝置，借以可以使視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸同時(shí)產(chǎn)生微量變化，從而使水準(zhǔn)氣泡較為容易地精確置中以達(dá)到視準(zhǔn)軸的精確整平。

5、高性能的補(bǔ)償器裝置

對(duì)于自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀補(bǔ)償元件的質(zhì)量以及補(bǔ)償器裝置的精密度都可以影響補(bǔ)償器性能的可靠性。如果補(bǔ)償器不能給出正確的補(bǔ)償量，或是補(bǔ)償不足，或是補(bǔ)償過量，都會(huì)影響精密水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)成果的精度。

我國水準(zhǔn)儀系列按精度分類有S05型,S1型,S3型等。S是“水”字的漢語拼音個(gè)字母,S后面的數(shù)字表示每公里往返平均高差的偶然中誤差的毫米數(shù)。

我國水準(zhǔn)儀系列及基本技術(shù)參數(shù)列于表5-1。

精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的構(gòu)造特點(diǎn)

水準(zhǔn)標(biāo)尺是測(cè)定高差的長度標(biāo)準(zhǔn)，如果水準(zhǔn)標(biāo)尺的長度有誤差，則對(duì)精密水準(zhǔn)測(cè)量的觀測(cè)成果帶來系統(tǒng)性質(zhì)的誤差影響，為此，對(duì)精密水準(zhǔn)標(biāo)尺提出如下要求：

（1）當(dāng)空氣的溫度和濕度發(fā)生變化時(shí)，水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃間的長度必須保持穩(wěn)定，或僅有微小的變化。一般精密水準(zhǔn)尺的分劃是漆在因瓦合金帶上，因瓦合金帶則以一定的拉力引張?jiān)谀举|(zhì)尺身的溝槽中，這樣因瓦合金帶的長度不會(huì)受木質(zhì)尺身伸縮變形影響。水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的數(shù)字是注記在因瓦合金帶兩旁的木質(zhì)尺身上，如圖5-7（a）、（b）所示。

（2）水準(zhǔn)標(biāo)尺的分劃必須十分正確與精密，分劃的偶然誤差和系統(tǒng)誤差都應(yīng)很小。水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的偶然誤差和系統(tǒng)誤差的大小主要決定于分劃刻度工藝的水平，當(dāng)前精密水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的偶然中誤差一般在8～11m。由于精密水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的系統(tǒng)誤差可以通過水準(zhǔn)標(biāo)尺的平均每米真長加以改正，所以分劃的偶然誤差代表水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的綜合精度。

（3）水準(zhǔn)標(biāo)尺在構(gòu)造上應(yīng)保證全長筆直，并且尺身不易發(fā)生長度和彎扭等變形。一般精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的木質(zhì)尺身均應(yīng)以經(jīng)過特殊處理的優(yōu)質(zhì)木料制作。為了避免水準(zhǔn)標(biāo)尺在使用中尺身底部磨損而改變尺身的長度，在水準(zhǔn)標(biāo)尺的底面必須釘有堅(jiān)固耐磨的金屬底板。

在精密水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)時(shí)，水準(zhǔn)標(biāo)尺應(yīng)豎立于特制的具有一定重量的尺墊或尺樁上。尺墊和尺樁的形狀如圖5-8所示。

（4）在精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的尺身上應(yīng)附有圓水準(zhǔn)器裝置，作業(yè)時(shí)扶尺者借以使水準(zhǔn)標(biāo)尺保持在垂直位置。在尺身上一般還應(yīng)有扶尺環(huán)的裝置，以便扶尺者使水準(zhǔn)標(biāo)尺穩(wěn)定在垂直位置。

（5）為了提高對(duì)水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的照準(zhǔn)精度，水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃的形式和顏色與水準(zhǔn)標(biāo)尺的顏色相協(xié)調(diào)，一般精密水準(zhǔn)標(biāo)尺都為黑色線條分劃，如圖5-7所示，和淺黃色的尺面相配合，有利于觀測(cè)時(shí)對(duì)水準(zhǔn)標(biāo)尺分劃精確照準(zhǔn)。

線條分劃精密水準(zhǔn)標(biāo)尺的分格值有l(wèi)0mm和5mm兩種。分格值為lOmm的精密水準(zhǔn)標(biāo)尺如圖5-7（a）所示，它有兩排分劃，尺面右邊一排分劃注記從0～300cm，稱為基本分劃，左邊一排分劃注記從300～600cm稱為輔助分劃，同一高度的基本分劃與輔助分劃讀數(shù)相差一個(gè)常數(shù)，稱為基輔差，通常又稱尺常數(shù)，水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)時(shí)可以用以檢查讀數(shù)的正確性。分格值為5mm的精密水準(zhǔn)尺如圖5-7（b）所示，它也有兩排分劃，但兩排分劃彼此錯(cuò)開5mm ,所以實(shí)際上左邊是單數(shù)分劃，右邊是雙數(shù)分劃，也就是單數(shù)分劃和雙數(shù)分劃各占一排，而沒有輔助分劃。木質(zhì)尺面右邊注記的是米數(shù)，左邊注記的是分米數(shù)，整個(gè)注記從0.1～5.9m，實(shí)際分格值為5mm，分劃注記比實(shí)際數(shù)值大了一倍，所以用這種水準(zhǔn)標(biāo)尺所測(cè)得的高差值必須除以2才是實(shí)際的高差值。

分格值為5mm的精密水準(zhǔn)標(biāo)尺，也有有一輔助分劃的。

與數(shù)字編碼水準(zhǔn)儀配套使用的條形碼水準(zhǔn)尺如圖5-9所示。通過數(shù)字編碼水準(zhǔn)儀的探測(cè)器來識(shí)別水準(zhǔn)尺上的條形碼，再經(jīng)過數(shù)字影像處理，給出水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)，取代了在水準(zhǔn)尺上的目視讀數(shù)。

Wild N3精密水準(zhǔn)儀

WildN3精密水準(zhǔn)儀的外形如圖5-10所示。望遠(yuǎn)鏡物鏡的有效孔徑為50mm，放大倍率為40倍，管狀水準(zhǔn)器格值為10"/2mm。N3精密水準(zhǔn)儀與分格值為l0mm的精密因瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺配套使用，標(biāo)尺的基輔差為301.55cm。在望遠(yuǎn)鏡目鏡的左邊上下有兩個(gè)小目鏡（在圖5-10中沒有表示出來），它們是符合氣泡觀察目鏡和測(cè)微器讀數(shù)目鏡，在3個(gè)不同的目鏡中所見到的影像如圖5-11所示。

轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜螺旋，使符合氣泡觀察目鏡的水準(zhǔn)氣泡兩端符合，則視線精確水平，此時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微螺旋使望遠(yuǎn)鏡目鏡中看到的楔形絲夾準(zhǔn)水準(zhǔn)標(biāo)尺上的148分劃線，也就是使148分劃線平分楔角，再在測(cè)微器目鏡中讀出測(cè)微器讀數(shù)653(即6.53mm)，故水平視線在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的全部讀數(shù)為148.653cm。

1、N3精密水準(zhǔn)儀的傾料螺旋裝置

圖5-12所示是N3型精密水準(zhǔn)儀傾斜螺旋裝置及其作用示意圖。它是一種杠桿結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)傾斜螺旋時(shí)，通過著力點(diǎn)可以帶動(dòng)支臂繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其對(duì)望遠(yuǎn)鏡的作用點(diǎn)產(chǎn)生微量升降，從而使望遠(yuǎn)鏡繞轉(zhuǎn)軸作微量傾斜。由于望遠(yuǎn)鏡與水準(zhǔn)器是緊密相聯(lián)的，于是傾斜螺旋的旋轉(zhuǎn)就可以使水準(zhǔn)軸和視準(zhǔn)軸同時(shí)產(chǎn)生微量的變化，借以迅速而精確地將視準(zhǔn)軸整平。在傾斜螺旋上一般附有分劃盤，可借助于固定指標(biāo)進(jìn)行讀數(shù)，由傾斜螺旋所轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)可以確定視線傾角的微小變化量，其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍約為7周。借助于這種裝置，可以測(cè)定視準(zhǔn)軸微傾的角度值，在進(jìn)行跨越障礙物的精密水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)具有重要作用。

必須指出，由圖5-12可見儀器轉(zhuǎn)軸并不位于望遠(yuǎn)鏡的中心，而是位于靠近物鏡的一端。由圓水準(zhǔn)器整平儀器時(shí)，垂直軸并不能精確在垂直位置，可能偏離垂直位置較大。此時(shí)使用傾斜螺旋精確整平視準(zhǔn)軸時(shí)，將會(huì)引起視準(zhǔn)軸高度的變化，傾斜螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)量愈大，視準(zhǔn)軸高度的變化也就愈大。如果前后視精確整平視準(zhǔn)軸時(shí)，傾斜螺旋的轉(zhuǎn)動(dòng)量不等，就會(huì)在高差中帶來這種誤差的影響。因此，在實(shí)際作業(yè)中規(guī)定：只有在符合水準(zhǔn)氣泡兩端影像的分離量小于lcm時(shí)（這時(shí)儀器的垂直軸基本上在垂直位置），才允許使用傾斜螺旋來進(jìn)行精確整平視準(zhǔn)軸。但有些儀器轉(zhuǎn)軸的裝置，位于過望遠(yuǎn)鏡中心的垂直幾何軸線上。

2、N3精密水準(zhǔn)儀的測(cè)微器裝置

圖5-13是N3精密水準(zhǔn)儀的光學(xué)測(cè)微器的測(cè)微工作原理示意圖。由圖可見，光學(xué)測(cè)微器由平行玻璃板、測(cè)微器分劃尺、傳動(dòng)桿和測(cè)微螺旋等部件組成。平行玻璃板傳動(dòng)桿與測(cè)微分劃尺相連。測(cè)微分劃尺上有100個(gè)分格，它與10mm相對(duì)應(yīng)，即每分格為0.1mm，可估讀至0.01mm。每10格有較長分劃線并注記數(shù)字，每兩長分劃線間的格值為1mm。當(dāng)平行玻璃板與水平視線正交時(shí)，測(cè)微分劃尺上初始讀數(shù)為5mm。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微螺旋時(shí)，傳動(dòng)桿就帶動(dòng)平行玻璃板相對(duì)于物鏡作前俯后仰，并同時(shí)帶動(dòng)測(cè)微分劃尺作相應(yīng)的移動(dòng)。平行玻璃板相對(duì)于物鏡作前俯后仰，水平視線就會(huì)向上或向下作平行移動(dòng)。若逆轉(zhuǎn)測(cè)微螺旋，使平行玻璃板前俯到測(cè)微分劃尺移至10mm處，則水平視線向下平移5mm，反之，順轉(zhuǎn)測(cè)微螺旋使平行玻璃板后仰到測(cè)微分劃尺移至Omm處，則水平視線向上平移5mm。

在圖5-13中，當(dāng)平行玻璃板與水平視線正交時(shí)，水準(zhǔn)標(biāo)尺上讀數(shù)應(yīng)為α,α在兩相鄰分劃148與149之間，此時(shí)測(cè)微分劃上讀數(shù)為5mm，而不是0。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微螺旋，平行玻璃板作前俯，使水平視線向下平移與就近的148分劃重合，這時(shí)測(cè)微分劃尺上的讀數(shù)為6.50mm,而水平視線的平移量應(yīng)為6.50～5mm，最后讀數(shù)α為

α=148cm+6.50mm-5mm

即α=148.650cm-5mm

由上述可知，每次讀數(shù)中應(yīng)減去常數(shù)（初始讀數(shù)) 5mm,但因在水準(zhǔn)測(cè)量中計(jì)算高差時(shí)能自動(dòng)抵消這個(gè)常數(shù)，所以在水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)時(shí)，讀數(shù)、記錄、計(jì)算過程中都可以不考慮這個(gè)常數(shù)。但在單向讀數(shù)時(shí)就必須減去這個(gè)初始讀數(shù)。

測(cè)微器的平行玻璃板安置在物鏡前面的望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)，如圖5-14所示。在平行玻璃板的前端，裝有一塊帶楔角的保護(hù)玻璃，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)光楔罩，它一方面可以防止塵土侵人望遠(yuǎn)鏡筒內(nèi)，另一方面光楔的轉(zhuǎn)動(dòng)可使視準(zhǔn)軸傾角作微小的變化，借以精確地校正視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸的平行性。

近期生產(chǎn)的新N3精密水準(zhǔn)儀如圖5-15所示。望遠(yuǎn)鏡物鏡的有效孔徑為52mm，并有一個(gè)放大倍率為40的準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡，直立成像，能清晰地觀測(cè)到離物鏡0.3m處的水準(zhǔn)標(biāo)尺。

校驗(yàn)性微傾螺旋裝置可以用來測(cè)量微小的垂直角和傾斜度的變化。

儀器備選附件有自動(dòng)準(zhǔn)直目鏡、激光目鏡、目鏡照明燈和折角目鏡等，利用這些附件可進(jìn)一步擴(kuò)大儀器的應(yīng)用范圍，可用于精密高程控制測(cè)量、形變測(cè)量、沉陷監(jiān)測(cè)、工業(yè)應(yīng)用等。

國產(chǎn)S1型精密水準(zhǔn)儀

Sl型精密水準(zhǔn)儀是北京測(cè)繪儀器廠生產(chǎn)的，其外形如上圖所示。儀器物鏡的有效孔徑為50mm，望遠(yuǎn)鏡放大倍率為40倍，管狀水準(zhǔn)器格值為10"/2mm。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微螺旋可使水平視線在10mm范圍內(nèi)作平移，測(cè)微器分劃尺有100個(gè)分格，故測(cè)微器分劃尺最小格值為0.1mm。望遠(yuǎn)鏡目鏡視場(chǎng)中所看到的影像如圖5-19所示，視場(chǎng)左邊是水準(zhǔn)器的符合氣泡影像，測(cè)微器讀數(shù)顯微鏡在望遠(yuǎn)鏡目鏡的右下方。

國產(chǎn)S1型精密水準(zhǔn)儀與分格值為5mm的精密水準(zhǔn)標(biāo)尺配套使用。

在圖5-19中，使用測(cè)微螺旋使楔形絲夾準(zhǔn)198分劃，在測(cè)微器讀數(shù)顯微鏡中的讀數(shù)為150，即1.5Omm，水準(zhǔn)標(biāo)尺上的全部讀數(shù)為198.150cm。

信息標(biāo)題：精密水準(zhǔn)儀使用方法

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