第二节 水准仪
水准仪是为水准测量提供水平视线的仪器，按构造原理可分为光学水准仪和数字水准仪，其中光学经纬仪又可以分为微倾式水准仪和自动安平水准仪；按照观测精度可分为普通水准仪和精密水准仪。
一、DS3型微倾式水准仪的构造
我国对水准仪按其精度从高到低分为DS05、DS1、DS3和DS10四个等级，其中D、S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，05、1、3、10表示水准仪每千米往返高差测量的中误差分别为0.5mm、1mm、3mm、10mm。其中DS05和DS1型用于精密水准测量，DS3和DS10型用于普通水准测量。本节主要介绍DS3型微倾式水准仪（图2-2）。
图2-2 DS3型微倾式水准仪
（a）外形图；（b）构造图
1—准星；2—物镜；3—微动螺旋；4—制动螺旋；5—缺口；6—目镜；7—水准管；8—圆水准器；9—基座；10—脚螺旋；11—三脚架；12—对光透镜；13—对光螺旋；14—十字丝分划板；15—微倾螺旋；16—竖轴；17—视准轴；18—水准管轴；19—微倾轴；20—轴套
DS3型微倾式水准仪由望远镜、水准器及基座3个主要部分组成。仪器通过基座与三脚架连接，支承在三脚架上，基座装有3个脚螺旋，用以粗略整平仪器。望远镜旁装有一个管水准器，转动望远镜微倾螺旋，可使望远镜做微小的上下俯仰，管水准器也随之上下俯仰，当管水准器中气泡居中，此时望远镜视线水平。仪器在水平方向的转动，是由水平制动螺旋和微动螺旋控制的。下面对望远镜和水准器作较为详细的介绍。
（一）望远镜
望远镜由物镜、对光透镜、十字丝分划板和目镜等部分组成。如图2-3所示，根据几何光学原理可知，目标经过物镜及对光透镜的作用，在十字丝附近成一实像，由于目标离望远镜的远近不同，通过转动对光螺旋使对光透镜在镜筒内前后移动，即可使其实像恰好落在十字丝平面上，再经过目镜的作用，将实像和十字丝同时放大，这时实像成为放大的虚像。其放大的虚像与用眼睛直接看到目标大小的比值，即为望远镜的放大率V。国产DS3型微倾式水准仪望远镜的放大率一般约为30倍。
图2-3 望远镜构造
1—目标；2—物镜；3—对光螺旋；4—对光凹透镜；5—倒立实像；6—放大虚像；7—目镜
十字丝是用以瞄准目标和读数的，其形式一般如图2-4所示。其中十字丝的交点和物镜光心的连线，称为望远镜的视准轴，如图2-2（b）所示，也是用以瞄准和读数的视线。因此望远镜的作用，一方面提供一条瞄准目标的视线；另一方面将远处的目标放大，提高瞄准和读数的精度。
图2-4 十字丝
上述望远镜是利用对光凹透镜的移动来对光的，称为内对光望远镜；另有一种老式的望远镜是借助物镜或目镜的前后移动来对光的，称为外对光望远镜。目前测量仪器均采用内对光望远镜。
（二）水准器
水准器是用以整平仪器的器具，分为管水准器和圆水准器两种。
管水准器亦称水准管，是用一个内表面磨成圆弧的玻璃管制成（图2-5），水准管内盛满酒精和乙醚的混合液，并在管内留一定体积的空气。一般规定以圆弧2mm长度所对圆心角τ表示水准管的分划值。分划值越小，灵敏度越高，DS3型水准仪的水准管分划值一般为20″/2mm。管内圆弧中点处（圆弧最高点）的切线，称为水准管轴。当气泡两端与圆弧中点对称时，称为气泡居中，即表示水准管轴处于水平位置。从图2-2（b）可知，水准仪上的水准管是与望远镜连在一起的，当水准管轴与望远镜视准轴互相平行时，水准管气泡居中，视线也就水平了。因此水准管和望远镜是水准仪的主要部件，水准管轴与视准轴相互平行是水准仪构造的主要条件。
为了提高水准管气泡居中的精度，目前生产的微倾式水准仪，一般在水准管上方设置一组棱镜，利用棱镜的折光作用，使气泡两端的像反映在直角棱镜上［图2-6（a）］。从望远镜旁的小孔中可观察到气泡两端的影像，当两个半圆形气泡的像错开，表明气泡未居中［图2-6（b）］。当两个半圆形气泡吻合，则表示气泡居中［图2-6（c）］。这种具有棱镜装置的水准管，称为符合水准器。
图2-5 水准管
圆水准器如图2-7所示，它是用一个玻璃圆盒制成，装在金属外壳内。玻璃的内表面磨成球面，中央刻有一小圆圈，圆圈中点与球心的连线叫做圆水准轴（L1L1）。当气泡位于小圆圈中央时，圆水准轴处于铅垂位置。普通水准仪的圆水准器分划值一般是8′/2mm。圆水准器安装在托板上，其轴线与仪器的竖轴互相平行，所以，当圆水准器气泡居中时，表示仪器的竖轴已基本处于铅垂位置。由于圆水准器的精度较低，它主要用于水准仪的粗略整平。
图2-6 符合水准器
（三）水准尺和尺垫
图2-7 圆水准器
水准尺是水准测量中的重要工具，常用干燥而良好的木材制成。尺的形式有直尺、折尺和塔尺（图2-8）。水准测量一般使用直尺，只有精度要求不高时才使用折尺或塔尺。
图2-8 水准尺和尺垫
尺垫又称尺台，其形式有三角形、圆形等。测量时为了防止尺子下沉，常常将尺垫放在地上踏稳，然后把水准尺竖立在尺垫的半圆球顶上（图2-8）。
水准测量时在传递高程的临时点处一定要放置尺垫，并且使之保持稳定不发生变动。
（四）水准仪的使用
1.安置与粗略整平
支开三脚架，用连接螺旋固连水准仪与三脚架，使用脚螺旋居中圆水准器的气泡，如图2-9所示，气泡不在圆水准器的中心而偏到1点，这表示脚螺旋A一侧偏高，此时可用双手按箭头所指的方向对向旋转脚螺旋A和B，使气泡向脚螺旋B方向移动，直至 2点位置时为止。再旋转脚螺旋C，如图2-9（b）所示，使气泡从 2点移到圆水准器的中心，这时仪器的竖轴大致竖直，亦即仪器大致水平。
2.瞄准
当仪器粗略整平后，松开望远镜的制动螺旋，利用望远镜筒上的缺口和准星瞄准水准尺，在望远镜内看到水准尺后，旋紧或拧紧制动螺旋。然后转动目镜调节螺旋，使十字丝成像清晰，再转动物镜对光螺旋，使水准尺的分划成像清晰。当十字丝和水准尺的成像均清晰，对光工作才算完成。这时如发现十字丝竖丝偏离水准尺，则可利用微动螺旋使十字丝竖丝对准水准尺（图2-10）。
图2-9 圆水准器的整平
图2-10 水准尺读数
3.精确整平和读数
转动微倾螺旋使水准管的气泡精确居中［图2-6（c）］。然后立即利用十字丝中横丝读取尺上读数。无论水准尺成倒像或正像，水准尺上读数均应按从小到大的顺序读取，在图2-10中，水准尺成倒像，读数应该从上往下读，精确读到厘米位，估读毫米位，因此从望远镜中读得读数为1.948m。
二、自动安平水准仪
微倾式水准仪进行水准测量必须使水准管气泡严格居中，才能读数，这样费时较多。为了提高工效，人们研制了一种自动安平水准仪。该类水准仪只需将圆水准器气泡居中，就可利用十字丝进行读数，从而加快了测量速度。图2-11（a）是我国DSZ3型自动安平水准仪。
（一）自动安平水准仪的原理
如图2-12所示，当视线水平时，水平光线恰好与十字丝交点所在位置K′重合，读数正确无误，如视线倾斜一个α角，十字丝交点移动一段距离d到达K处，这时按十字丝交点K读数，显然有偏差。如果我们在望远镜内的适当位置装置一个“补偿器”，使进入望远镜的水平光线经过补偿器后偏转一个β角，恰好通过十字丝交点K，这样按十字丝交点K读出的数仍然是正确的。由此可知，补偿器的作用，是使水平光线发生偏转，而偏转角的大小正好能够补偿视线倾斜所引起的读数偏差。因为α和β角都很小，从图2-12可知
图2-11 DSZ3型自动安平水准仪
（a）外形图；（b）剖面图
1—物镜；2—目镜；3—固水准器；4—脚螺旋；5—微动螺旋；6—对光螺旋；7—调焦透镜；8—补偿器；9—十字丝分划板；10—竖轴
式中 f——物镜和对光透镜的组合焦距；
s——补偿器至十字丝分划板的距离；
α——视线的倾斜角；
β——水平视线通过补偿器后的偏转角；
n——β与α的比值，称为补偿器的放大倍。
图2-12 自动安平水准仪原理
在设计时，只要满足式（2-6）的关系，即可达到补偿的目的。
（二）自动安平水准仪的使用
自动安平水准仪的补偿范围一般为±8′～±11′，圆水准器的分划值一般为8′/2mm，因此使用自动安平水准仪进行水准测量，只要把仪器安置好，旋转脚螺旋令圆水准器气泡居中，即可用望远镜瞄准水准尺利用十字丝读数。
三、精密水准仪
国家一、二等水准测量和精密工程测量需要使用DS05或DS1型精密水准仪。
（一）精密水准仪的构造
精密水准仪的类型有多种，这里以徕卡N3水准仪为例，介绍精密水准仪的构造及使用方法。
N3水准仪的外形如图2-13所示，其望远镜放大率为42倍，水准管分划值为10″／2mm，每公里往返测高差中误差小于0.5mm，属DS05型精密水准仪，适用于一等、二等水准测量。
仪器的望远镜设有平行玻璃板及测微装置（图2-14）。当转动测微螺旋时将带动平行玻璃板转动，水准尺的构像也随着移动，测微轮转动一周，水准尺上的构像移动10mm，测微轮带动望远镜内的测微尺，测微尺共100格，相当于水准尺上的10mm，故每格为0.1mm，从测微尺上可直读0.1mm，估读到0.01mm，不必像一般水准测量那样，在水准尺上估读，读数精度大为提高。
图2-13 WILD N3精密水准仪
图2-14 精密水准尺测微尺读数原理
仪器配有一对3m长的铟瓦水准尺，铟瓦受温度影响较小，保证了尺长的稳定。水准尺一侧为基本分划，尺的底部为零；另一侧为辅助分划，尺的底部一般从3.0155m起算（图2-15），用作测站校核。
图2-15 精密水准仪读数
（二）仪器的使用
操作步骤如下：
（1）安置仪器，转动三个脚螺旋令圆水准器的气泡居中。
（2）用望远镜照准水准尺，转动微倾螺旋，使符合水准器气泡严格居中。
（3）转动测微轮，令十字丝分划板的楔形丝正好夹准水准尺上基本分划的一条刻划，如图2-15中为148，即148cm，接着在测微尺上读出尾数，图中为655（即0.655cm），则整个读数为148+0.655=148.655（cm）。辅助分划的读数方法与基本分划的读数方法相同。
四、数字水准仪
数字水准仪又称电子水准仪，是现代微电子技术和传感器工艺发展的产物，它依据图像识别原理，将编码尺的图像信息与已存储的参考信息进行比较获得高程信息。它除了在望远镜内安置自动安平补偿器外，还增加了分光镜和光电探测器（CCD）等部件，配合使用条形码水准尺和图像处理电子系统，实现自动安平、自动读数、自动记录、检核、计算数据处理和存储，构成水准测量外业和内业的一体化，避免了读错记错等差错，可自动多次测量，削弱外界条件变化的影响，大大提高观测精度和速度。
（一）数字水准仪的原理
水准标尺上宽度不同的条码通过望远镜成像到像平面上的CCD传感器，CCD传感器将黑白相间的条码图像转换成模拟图像信号，再经仪器内部的数字图像处理，可获得望远镜中丝在条码标尺上的读数，如图2-16所示。此数据一方面显示在屏幕上，另一方面可存储在仪器内的存储器中。
图2-16 数字水准仪图像处理原理
当前数字水准仪测量原理主要有：相关法、RAB编码法、几何法、相位法、叶氏原理等。下面介绍具有代表性相关法和RAB编码法。
1.相关法
现以瑞士徕卡NA系列数字水准仪为例，将相关法原理简述如下。
如图2-17所示，望远镜照准水准尺并调焦后，尺上的条形影像进入分光镜后，分光镜将其分为可见光和红外光两部分，可见光影像成像在分划板上，供目视观测，红外光影像成像在CCD探测器上，探测器将接收到的光图像转换成模拟信号，再转换为数字信号传至处理器，与仪器内原先存储的水准尺条形码数字信息进行相关比较，当两信号处于最佳相关位置时如图2-18所示，即获得水平视线读数和视距读数（仪器至水准尺的距离），并将处理结果存储和显示于屏幕上。
相关法有两个重要参数，也就是 “视线高”和 “物像比”，仪器的视线高表现为标尺条码像在线性传感器CCD上的位置；而且，标尺上的条码与其成像的物像比取决于仪器和条码标尺之间的距离，或者说物像比是视距的函数。有关这两个参数的这种变化可以用二维离散相关函数表示：
图2-17 徕卡数字水准仪测量原理及相关法原理
式中 FSR（d,h）——S和R之间的相关函数；
Si（y）——测量信号；
R（d,y-h）——参考信号；
d、h——视距和视线高。
在整个测量范围内进行系统搜索，可以找到相关函数的最大坐标，从而确定函数值对应的d和h值。
图2-18 条形码标尺原理图
NA3003数字水准仪配合条码尺，其观测精度可达0.4mm/km，主要用于精密水准测量。
2.RAB编码法
RAB编码法的条形码标尺如图2-18所示，R为参考码，A和B为信息码，参考码R为三道等宽的黑色码条，以中间码条的中线为准，每隔3cm就有一R码，信息码A与信息码B位于R码的上、下两边，下边10mm处为B码，上边10mm处为A码，A码与B码宽度按正弦规律改变，其信号波长分别为33cm和30cm，最窄的码条宽度不到1mm，这3种信号的频率和相位可以通过快速傅里叶变换（FFT）获得。
数字水准仪应与相应厂家生产的条码尺配套使用，不能互换。若不用条码水准尺，改用普通的水准尺，则数字水准仪变成一台普通的自动安平水准仪。
（二）徕卡DNA03数字水准仪
徕卡公司在NA3003数字水准仪的基础上，又研制了DNA03数字水准仪。销往我国的DNA03数字水准仪显示界面全为中文，并内置适合我国水准测量规范的观测程序，其外形如图2-19所示。
图2-19 徕卡DNA03中文数字水准仪
徕卡DNA03数字水准仪其观测精度可达0.3mm/km。最小读数0.01mm，并进行了如下改进。
（1）采用大屏幕显示屏，一屏可显示8行15列共120个汉字。
（2）采用新型磁性阻尼补偿器，自动安平精度更高。
（3）流线型外观设计，减少风力影响。
（4）可在多种测量模式中选择适当模式，减少外界条件的影响。
（5）若选用Level-Adj中文平差软件，可实现外业观测数据的全自动处理。