水準儀的種類原理及使用方法

水準儀的種類原理有使用方法?

水準儀是根據(jù)水準測量原理測量地面點間高差的儀器。水準儀是在17～18世紀發(fā)明了望遠鏡和水準器后出現(xiàn)的。20世紀初，在制出內(nèi)調(diào)焦望遠鏡和符合水準器的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出微傾水準儀。20世紀50年代初出現(xiàn)了自動安平水準儀；60年代研制出激光水準儀；90年代出現(xiàn)電子水準儀或數(shù)字水準儀。

說明

水準儀，英文：level， 

  水準儀

建立水平視線測定地面兩點間高差的儀器。主要部件有望遠鏡、管水準器（或補償器）、垂直軸、基座、腳螺旋。按結(jié)構(gòu)分為微傾水準儀、自動安平水準儀、激光水準儀和數(shù)字水準儀（又稱電子水準儀）。按精度分為精密水準儀和普通水準儀。

①微傾水準儀

借助微傾螺旋獲得水平視線。其管水準器分劃值小、靈敏度高。望遠鏡與管水準器聯(lián)結(jié)成一體。憑借微傾螺旋使管水準器在豎直面內(nèi)微作俯仰，符合水準器居中，視線水平。

②自動安平

借助自動安平補償器獲得水平視線。當望遠鏡視線有微量傾斜時，

  自動安平水準儀

補償器在重力作用下對望遠鏡作相對移動，從而迅速獲得視線水平時

的標尺讀數(shù)。這種儀器較微傾水準儀工效高、精度穩(wěn)定。

③激光水準儀

利用激光束代替人工讀數(shù)。將激光器發(fā)出的激光束導入望遠鏡筒內(nèi)使其沿視準軸方向射出水平激光束。在水準標尺上配備能自動跟蹤的光電接收靶，即可進行水準測量

④數(shù)字水準儀

這是20世紀90年代發(fā)展的水準儀，集光機電、計算機和圖像處理等高新技術(shù)為一體，是現(xiàn)代科技新發(fā)展的結(jié)晶。

發(fā)展史

水準儀是在17～18世紀發(fā)明了望遠鏡和水準器后出現(xiàn)的。20世紀初，在制出內(nèi)調(diào)焦望遠鏡和符合水準器的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出微傾水準儀。50年代初出現(xiàn)了自動安平水準儀，60年代研制出激光水準儀。90年代研制出了數(shù)字水準儀。歷*，還有老式的活鏡水準儀等。

儀器原理

微傾水準儀

借助于微傾螺旋獲得水平視線的一種常用水準儀。作業(yè)時先用圓水準器將儀器粗略整平，每次讀數(shù)前再借助微傾螺旋，使符合水準器在豎直面內(nèi)俯仰，直到符合水準氣泡居中，使視線水平。微傾的精密水準儀同普通水準儀比較，前者管水準器的分劃值小、靈敏度高，望遠鏡的放大倍率大，明亮度強，儀器結(jié)構(gòu)堅固，特別是望遠鏡與管水準器之間的聯(lián)接牢固,裝有光學測微器，并配有精密水準標尺，以提高讀數(shù)精度。中國生產(chǎn)的微傾式精密水準儀，其望遠鏡放大倍率為40倍,管水準器分劃值為10″/2毫米，光學測微器小讀數(shù)為0.05毫米，望遠鏡照準部分、管水準器和光學測微器都共同安裝在防熱罩內(nèi)。

自動安平水準儀

借助于自動安平補償器獲得水平視線的一種水準儀。它的特點主要是當望遠鏡視線有微量傾斜時，補償器在重力作用下對望遠鏡作相對移動,從而能自動而迅速地獲得視線水平時的標尺讀數(shù)。補償?shù)幕驹硎牵寒斖h鏡視線水平時，與物鏡主點同高的水準標尺上物點P構(gòu)成的像點Z0應(yīng)落在十字絲交點Z上。當望遠鏡對水平線傾斜一小角α后，十字絲交點Z向上移動，但像點Z0仍在原處，這樣即產(chǎn)生一讀數(shù)差Z0Z。當很小時可以認為Z0Z 的間距為α×f′（f′為物鏡焦距），這時可在光路中K點裝一補償器，使光線產(chǎn)生屈折角β，在滿足α×f′=β×s0（s0為補償器至十字絲中心的距離，即KZ）的條件下，像Z0就落在Z點上；或使十字絲自動對儀器作反方向擺動，十字絲交點Z落在Z0點上。

如光路中不采用光線屈折而采用平移時，只要平移量等于Z0Z，則十字絲交點Z落在像點Z0上，也同樣能達到Z0和Z重合的目的。自動安平補償器按結(jié)構(gòu)可分為活動物鏡、活動十字絲和懸掛棱鏡等多種。補償裝置都有一個“擺”，當望遠鏡視線略有傾斜時，補償元件將產(chǎn)生擺動，為使“擺”的擺動能盡快地得到穩(wěn)定，必須裝一空氣阻尼器或磁力阻尼器。這種儀器較微傾水準儀工效高、精度穩(wěn)定，尤其在多風和氣溫變化大的地區(qū)作業(yè)更為顯著。

激光水準儀

利用激光束代替人工讀數(shù)的一種水準儀。將激光器發(fā)出的激光束導入望遠鏡筒內(nèi)，使其沿視準軸方向射出水平激光束。

利用激光的單色性和相干性，可在望遠鏡物鏡前裝配一塊具有一定遮光圖案的玻璃片或金屬片，即波帶板，使之所生衍射干涉。經(jīng)過望遠鏡調(diào)焦，在波帶板的調(diào)焦范圍內(nèi)，獲得一明亮而精細的十字型或圓形的激光光斑，從而更地照準目標。如在前、后水準標尺上配備能自動跟蹤的光電接收靶，即可進行水準測量。在施工測量和大型構(gòu)件裝配中，常用激光水準儀建立水平面或水平線。

數(shù)字水準儀是目前的水準儀，配合專門的條碼水準尺，通過儀器中內(nèi)置的數(shù)字成像系統(tǒng)，自動獲取水準尺的條碼讀數(shù)，不再需要人工讀數(shù)。這種儀器可大大降低測繪作業(yè)勞動強度，避免人為的主觀讀數(shù)誤差，提高測量精度和效率。

電子水準儀

電子水準儀又稱數(shù)字水準儀，它是在自動安平水準儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它采用條碼標尺，各廠家標尺編碼的條碼圖案不相同，不能互換使用。2013年前照準標尺和調(diào)焦仍需目視進行。人工完成照準和調(diào)焦之后，標尺條碼一方面被成象在望遠鏡分化板上，供目視觀測，另一方面通過望遠鏡的分光鏡，標尺條碼又被成象在光電傳感器（又稱探測器）上，即線陣CCD器件上，供電子讀數(shù)。因此，如果使用傳統(tǒng)水準標尺，電子水準儀又可以象普通自動安平水準儀一樣使用。不過這時的測量精度低于電子測量的精度。特別是精密電子水準儀，由于沒有光學測微器，當成普通自動安平水準儀使用時，其精度更低。

當前電子水準儀采用了原理上相差較大的三種自動電子讀數(shù)方法：

1）相關(guān)法（徠卡NA3002/3003）

2) 幾何法（蔡司DiNi10/20）

3) 相位法（拓普康DL101C/102C）

高精密

結(jié)構(gòu)特點

DS03高精密自動安平水準儀是采用內(nèi)置式的測微平板結(jié)構(gòu)，采用齒輪直接嚙合的測微結(jié)構(gòu)，*消除了傳統(tǒng)測微平板結(jié)構(gòu)中存在的行差，讀數(shù)由顯示屏上直接顯示，消除了測微尺讀數(shù)存在的讀數(shù)誤差，儀器采用全密封設(shè)計，能有效地防塵防水，密封等級可達IP55；放大倍率和物鏡口徑更大，觀測目標更清晰；補償器的固定采用獲得國家的新技術(shù)，提高了儀器的可靠性和穩(wěn)定性。儀器外觀平衡協(xié)調(diào)，安置穩(wěn)定，水準器精度更高，居中性能更好。

  DS03高精密水準儀

DS03水準儀是當前*能做到批量生產(chǎn)的國產(chǎn)高精密級水準儀，必將以其穩(wěn)定可靠的性能、高等級的測量精度、*新穎的外形結(jié)構(gòu)新一代國產(chǎn)水準儀的潮流。DS03高精密自動安平水準儀是內(nèi)置測微平板的高精密自動安平水準儀，儀器利用自動補償技術(shù)和內(nèi)置編碼器和數(shù)字電路處理的測微系統(tǒng)，并由顯示屏直接顯示測微讀數(shù)，直讀0.01mm,可靠，重要的一點是，DS03水準儀1km往返水準測量標準偏差達到0.3mm的水平，在國內(nèi)所有品種水準儀中是高的。經(jīng)測試，1km往返差*達到國家標準高精密級水準儀的要求。

應(yīng)用領(lǐng)域

DS03水準儀是一款真正的高精密級光學水準儀，其各項技術(shù)指標都滿足國標《水準儀GB 101562009》

中系列儀器的要求。

可以應(yīng)用于國家一等水準測量及地震水準測量，建筑工程測量，變形及沉降監(jiān)測，礦山測量，

大型機器安裝，工具加工測量和精密工程測量等。

●水準網(wǎng)測量 / ●變形監(jiān)測、地面沉降的監(jiān)測 / ●工業(yè)測量 / ●隧道和礦山測量 / ●地形測量 水準線路測量、

區(qū)域水準測量、水準 網(wǎng)測量、等高線測量 / ●道路和鐵路施工放樣縱斷面測量、橫斷面測量、高程放樣

DL系列

儀器詳情

拓普康電子水準儀DL101C/102C采用相位法。標尺的條碼象經(jīng)望遠鏡、調(diào)焦鏡、補償器的光學零件和分光鏡后，分成兩路，一路成象在CCD線陣上，用于進行光電轉(zhuǎn)換，另一路成象在分劃板上，供目視觀測。DL101標尺上部份條碼的圖案，其中有三種不同的碼條。R表示參考碼，其中有三條2mm寬的黑色碼條，每兩條黑色碼條之間是一條1mm寬的黃色碼條。以中間的黑碼條的中心線為準，每隔30mm就有一組R碼條重復(fù)出現(xiàn)。在每組R碼條左邊10mm處有一道黑色的B碼條。在每組參考碼R的右邊10mm處為一道黑色的A碼條。讀者不難發(fā)現(xiàn)，每組R碼條兩邊的A和B碼條的寬窄不相同，實際上A和B碼條的寬度是在0到10mm之間變化，這兩種碼包含了水準測量時的高度信息。 　儀器設(shè)計時有意安排了它們的寬度按正弦規(guī)律變化。其中A碼條的周期為600mm，B碼條的周期為570mm。當然，R碼條組兩邊的黃碼條寬度也是按正弦規(guī)律變化的，這樣在標尺長度方向上就形成了亮暗強度按正弦規(guī)律周期變化的亮度波。條碼的下面畫出了波形?？v坐標表示黑條碼的寬度，橫坐標市標尺的長度。實線為A碼的亮度波，虛線為B碼的亮度波。由于A和B兩條碼變化的周期不同，也可以說A和B亮度波的波長不同，在標尺長度方向上的每一位置上兩亮度波的相位差也不同。這種相位差就好象傳統(tǒng)水準標尺上的分劃，它可由標出標尺的長度。只要3能測出標尺底部某處的相位差，也就可由知道該處到標尺底部的高度，因為相位差可以作到和標尺長度一一對應(yīng)，即具有單值性。這就是適當選則兩亮度波的波長，在DL101中A碼的周期為600mm，B碼的周期為570mm，它們的小公倍數(shù)為11400mm，因此在3m長的標尺上不會有相同的相位差。為了確保標尺底端面，或說相位差分劃的端點相位差具有*性，A和B碼的相位在此錯過了π/2。

DL－102C的標尺與DL－101C的略有區(qū)別，DL－102C的標尺為白底黑條碼，A碼的波長為330mm，小公倍數(shù)為3300mm。A和B碼在波長底部錯開的相位差為π。DL101－C的標尺與DL－102C的標尺可由互換使用。

當望遠鏡照準標尺后，標尺上某一段的條碼就成象在線陣CCD上，黃條碼使CCD產(chǎn)生光電流，隨條碼寬窄的改變，光電流強度也變化。將它進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)后，得到不同的灰度值。視距在Δ0.6m時標尺上某小段成象到CCDA上經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，得到的不同灰度值(縱坐標)，橫坐標是CCD上象素的序號，當灰度值逐一輸出時，橫軸就代表時間了。橫坐標標記的數(shù)字判斷，儀器采用了512個象素的線陣CCD。視距和視線高的信息的測量信號。

如何從上述測量信號中求出A和B兩亮度波的相位差呢？下文用測量人員容易理解的方式來說明。設(shè)想縱坐標的灰度值就是表示亮度大小的十進位數(shù)字，而且橫坐標尺寸已放大到和標尺尺寸一致。用一波長為600mm的正弦曲線中的離散灰度值曲線擬合，就可由得到A波的大振幅和初相位。再用波長為570mm的正弦曲線，就可由得到B波的大振幅和初相位。人們對大振幅不太感興趣，因為隨著標尺上的照度不同，大振幅在不同次數(shù)的測量中也不同，對求視線高無關(guān)緊要。求出的A和B兩亮度波的初相位之差就是高度數(shù)據(jù)。不過這是與CCD上*個象素對應(yīng)的位置到標尺底端面的高度。人們不難把它換算成CCD中點象素上的相位差，這就好象是中絲讀數(shù)。

像上述那樣人工處理測量信號是很麻煩的，而且很費時間。在DL系列中則采用快速傅里葉變換(FFT)計算方法將測量信號在信號分析器中分解成三個頻率分量。由A和B兩信號的相位求相位差，即得到視線高讀數(shù)。這只是初讀數(shù)。因為視距不同時，標尺上的波長與測量信號波長的比例不同。雖然在同一視距上A和B的波長相同，可由求出相位差，或說視線高，但是可以想象其精度并不高。

R碼是為了提高讀數(shù)精度和求視距二安排的。設(shè)兩組R碼的間距為P(=30mm)，它在CCD行陣上成象所占的象素個數(shù)為Z,象素寬為D(=25μm)，則P在CCD行陣上的成象長度為:

L=Z*b (3－1)

Z可由一信號分析中得出，b是CCD光敏窗口的寬度，因此l和P都為已知數(shù)據(jù)。根據(jù)幾何光學成象原理，可以象傳統(tǒng)儀器用視距絲測量距離的視距測量原理一樣求出視距：

D=P/l*f (3－2)

式中f是望遠鏡物鏡的焦距。同時還可以求出物象比

A=P/l (3－3)

于是將測量信號放大到與標尺上的一樣時，再進行相位測量，就可以得出相位差，即視線高。

電子水準儀的三種測量原理各有奧妙，三類儀器都經(jīng)受了各種檢驗和實際測量的考驗，能勝任精密水準測量作業(yè)。拓普康公司在原理上能獨樹一幟，說明該公司具有雄厚的技術(shù)實力，市的值得信賴的公司。

共同特點

電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎(chǔ)，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器(CCD),并采用條碼標尺和圖象處理電子系統(tǒng)二構(gòu)成的光機電測一體化的高科技產(chǎn)品。采用普通標尺時，又可象一般自動安平水準儀一樣使用。它與傳統(tǒng)儀器相比有以下共同特點： 　1) 讀數(shù)客觀。*、誤記問題，沒有人為讀數(shù)誤差。

2) 精度高。視線高和視距讀數(shù)都是采用大量條碼分劃圖象經(jīng)處理后取平均得出來的，因此削弱了標尺分劃誤差的影響。多數(shù)儀器都有進行多次讀數(shù)取平均的功能，可以削弱外界條件影響。不熟練的作業(yè)人員業(yè)也能進行高精度測量。

3) 速度快。由于省去了報數(shù)、聽記、現(xiàn)場計算的時間以及人為出錯的重測數(shù)量，測量時間與傳統(tǒng)儀器相比可以節(jié)省1/3左右。

4) 效率高。只需調(diào)焦和按鍵就可以自動讀數(shù)，減輕了勞動強度。視距還能自動記錄，檢核，處理并能輸入電子計算機進行后處理，可實線內(nèi)外業(yè)一體化。

具體特點

拓普康DL系列作為電子水準儀家族中的一員。以高性能、低價格深受廣大用戶的歡迎。DL系列造型美觀、內(nèi)置功能強、菜單功能豐富、操作界面友好，有各種信息提示，大大方便了實際操作?！?）在字母狀態(tài)下，可輸入數(shù)字、大小寫字母及常用標點符號如(！"#%§$’()*_+@<>等)。

2）即可以進行自動測量(用條碼標尺，可使用三種標尺：鋁合金標尺SA－5M、玻璃纖維尺SG－3M和銦鋼尺SI－3/T或SI－3)，又可以進行人工讀數(shù)(普通標尺)。

3）有多次測量、自動求平均值，統(tǒng)計測量誤差功能。

4）有三種線路水準測量模式：后前前后、后后前前、后前。給定測量限差值，儀器可自動判斷測量現(xiàn)差，超*提示重測，能自動計算線路閉合差等。

5）DL系列有三種記錄模式：即RAM方式，直接存在儀器內(nèi)部RAM中(128K)，可存大約2400組數(shù)據(jù)：RS－232C方式，可通過電纜將測量數(shù)據(jù)存到外接計算機或用戶開發(fā)的電子手簿，進行聯(lián)機實時測量：OFF方式，測量結(jié)果只顯示在儀器屏幕上，不進行存儲。DL系列主機內(nèi)存可存儲約1100個點的數(shù)據(jù)，并在前一型號DL系列基礎(chǔ)上增加了PCMCIA卡存儲功能。PCMCIA卡的容量主要有256K、512K、1M。

6）雖然儀器的顯示屏較小，但保存在儀器內(nèi)部的測量結(jié)果可在儀器上用SRCH鍵進行查閱。

7）具有高程放樣和測量水準支點的功能。

8）當測量鍵不起作用時(如光線太暗、遮擋太多時)，可輸入人工測量的高程和平距讀數(shù)，以使線路水準測量程序能繼續(xù)進行。

9）有倒置標尺功能，適合于天花板、地下水準測量。

10）DL101系列具有獨立的測距功能可方便地用于前、后視距離測量，精度為1Cm至5Cm 。

11）可用來概略測定水平角，精度到1度或1gon。

12）標尺為等間距分劃，可以象檢驗普通水準標尺一樣，檢驗它的分劃誤差。

13）儀器有i 角檢驗程序，在野外可方便地進行i 角檢驗。

應(yīng)用原理

水準儀適用于水準測量的儀器，中國水準儀是按儀器所能達到的每千米往返測高差中數(shù)的偶然中誤差這一精度指標劃分的，共分為4個等級。

水準儀型號都以DS 開頭，分別為“大地”和“水準儀”的漢語拼音*個字母，通常書寫省略字母D。其后"0.5”、“1”、“3”、“10”等數(shù)字表示該儀器的精度。S3級和S10級水準儀又稱為普通水準儀，用于中國國家三、四等水準及普通水準測量，S0.5級和S1級水準儀稱為精密水準儀，用于中國國家一、二等精密水準測量：

使用須知

操作要點

在未知兩點間，擺開三腳架，從儀器箱取出水準儀安放在三腳架上，利用三個機座螺絲調(diào)平，使圓氣泡居中，跟著調(diào)平管水準器。水平制動手輪是調(diào)平的，在水平鏡內(nèi)通過三角棱鏡反射，水平重合，就是平水。將望遠鏡對準未知點（1）上的塔尺，再次調(diào)平管水平器重合，讀出塔尺的讀數(shù)（后視），把望遠鏡旋轉(zhuǎn)到未知點（2）的塔尺，調(diào)整管水平器，讀出塔尺的讀數(shù)（前視），記到記錄本上。

計算公式：兩點高差=前視－后視。

校正方法

將儀器擺在兩固定點中間，標出兩點的水平線，稱為a、b線，移動儀器到固定點一端，標出兩點的水平線，稱為a’、b ’。計算如果a－b≠a’－b ’時，將望遠鏡橫絲對準偏差一半的數(shù)值。用校針將水準儀的上下螺釘調(diào)整，使管水平泡吻合為止。重復(fù)以上做法，直到相等為止。

保養(yǎng)與維修

1．水準儀是精密的光學儀器，正確合理使用和保管對儀器精度和壽命有很大的作用

2．避免陽光直曬，不許可證隨便拆卸儀器

3．儀器有故障，由熟悉儀器結(jié)構(gòu)者或修理部修理

4．每個微調(diào)都應(yīng)輕輕轉(zhuǎn)動，不要用力過大。鏡片、光學片不準用手觸片

5．每次使用完后，應(yīng)對儀器擦干凈，保持干燥。

使用方法

水準儀的使用包括：水準儀的安置、粗平、瞄準、精平、讀數(shù)五個步驟。

1. 安置 安置是將儀器安裝在可以伸縮的三腳架上并置于兩觀測點之間。 首先打開三腳架并使高度適中，用目估法使架頭大致水平并檢查腳架是否牢固，然后打開儀器箱，用連接螺旋將水準儀器連接在三腳架上。

2. 粗平 粗平是使儀器的視線粗略水平，利用腳螺旋置圓水準氣泡居于圓指標圈之中。具體方法：用儀器練習。在整平過程中，氣泡移動的方向與大拇指運動的方向一致。

3. 瞄準 瞄準是用望遠鏡準確地瞄準目標。 首先是把望遠鏡對向遠處明亮的背景，轉(zhuǎn)動目鏡調(diào)焦螺旋，使十字絲清晰。再松開固定螺旋，旋轉(zhuǎn)望遠鏡，使照門和準星的連接對準水準尺，擰緊固定螺旋。后轉(zhuǎn)動物鏡對光螺旋，使水準尺的清晰地落在十字絲平面上，再轉(zhuǎn)動微動螺旋，使水準尺的像靠于十字豎絲的一側(cè)。

4. 精平 精平是使望遠鏡的視線水平。微傾水準儀，在水準管上部裝有一組棱鏡，可將水準管氣泡兩端，折射到鏡管旁的符合水準觀察窗內(nèi)，若氣泡居中時，氣泡兩端的象將符合成一拋物線型，說明視線水平。若氣泡兩端的象不相符合，說明視線不水平。這時可用右手轉(zhuǎn)動 微傾螺旋使氣泡兩端的象*符合，儀器便可提供一條水平視線，以滿足水準測量基本原理的要求。注意：氣泡左半部分的移動方向，總與右手大拇指的方向不一致。

5. 讀數(shù) 用十字絲，截讀水準尺上的讀數(shù)。水準儀多是倒象望遠鏡，讀數(shù)時應(yīng)由上而下進行。先估讀毫米級讀數(shù)，后報出全部讀數(shù)。注意，水準儀使用步驟一定要按上面順序進行，不能顛倒，特別是讀數(shù)前的符合水泡調(diào)整， 一定要在讀數(shù)前進行。