53 精密水准仪与水准尺 - 控制测量学

53 精密水准仪与水准尺 - 控制测量学自己收集整顿的错误在所难免仅供参照交流如有错误请指正！谢谢5.3 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某些外界因素的影响外观测仪器-水准仪在构造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有的某些条件提出下列规定 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不小于40倍物镜的孔径应不小于50mm2.结实稳定的仪器构造 仪器的构造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变化它们之间的关系一般精密水准仪的重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 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不不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.高敏捷的管水准器 一般精密水准仪的管水准器的格值为10/2mm由于水准器的敏捷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步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 国内水准仪系列及基本技术参数技术参数项目水准仪系列型号S05S1S3S10每公里来回平均高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畴测微器最小分格值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畴安平精度安平时间不长于80.12s80.22s80.52s1022s 5.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对的的补偿量或是补偿局限性或是补偿过量都会影响精密水准测量观测成果的精度 国内水准仪系列按精度分类有S05型,S1型,S3型等S是水字的汉语拼音第一种字母,S背面的数字表达每公里来回平均高差的偶尔中误差的毫米数 国内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原则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规定： （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尺身上如图5-7（a）、（b）所示 （2）水准标尺的分划必须十分对的与精密分划的偶尔误差和系统误差都应很小水准标尺分划的偶尔误差和系统误差的大小重要决定于分划刻度工艺的水平目前精密水准标尺分划的偶尔中误差一般在8llm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因此分划的偶尔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通过特殊解决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变化尺身的长度在水准标尺的底面必须钉有结实耐磨的金属底板 在精密水准测量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 （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助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种常数称为基辅差一般又称尺常数水准测量作业时可以用以检查读数的对的性分格值为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 ,因此事实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因此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 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辨认水准尺上的条形码再通过数字影像解决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10/2mmN3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中没有表达出来）它们是符合气泡观测目镜和测微器读数目镜在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测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测微器读数653(即6.53mm)故水平视线在水准标尺上的所有读数为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构造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用点产生微量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步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拟定视线倾角的微小变化量其转动范畴约为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接近物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也许偏离垂直位置较大此时使用倾斜螺旋精确整平视准轴时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不不小于lcm时（这时仪器的垂直轴基本上在垂直位置）才容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构成平行玻璃板传动杆与测微分划尺相连测微分划尺上有100个分格它与10mm相相应即每分格为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步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图5-13 在图5-13中当平行玻璃板与水平视线正交时水准标尺上读数应为在两相邻分划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分划重叠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=148cm+6.50mm-5mm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因此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顿在物镜前面的望远镜筒内如图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种光楔罩它一方面可以避免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并有一种放大倍率为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、目镜照明灯和折角目镜等运用这些附件可进一步扩大仪器的应用范畴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所示图5-16 这种仪器的重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由于望远镜、管状水准器和平行玻璃板的倾斜设备等部件都装在一种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范畴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个分格因此测微鼓最小格值为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水准标尺上的所有读数为197.340cm图5-17 图5-185.3.5 国产S1型精密水准仪 Sl型精密水准仪是北京测绘仪器厂生产的其外形如图5-18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10mm范畴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0.1mm望远镜目镜视场中所看到的影像如图5-19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 国产S1型精密水准仪与分格值为5mm的精密水准标尺配套使用 在图5-19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150即1.5Omm水准标尺上的所有读数为198.150cm?1