2.2 水准测量的仪器和工具
水准测量所使用的仪器和工具有水准仪、水准尺和尺垫三种。
2.2.1 DS3型微倾式水准仪
“D”和“S”分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母,“3”表示用该类仪器进行水准测量,每千米往返测高差中数的偶然中误差为±3mm。水准仪的类型很多,在工程测量中,最常用的是DS3型微倾式水准仪和自动安平水准仪,本节主要介绍DS3型微倾式水准仪。
如图2.3所示,为我国生产的DS3型微倾式水准仪。它主要由望远镜、水准器和基座三部分构成。下面着重介绍其主要部件的结构与作用。
图2.3 DS3型微倾式水准仪
1—准星;2—物镜;3—制动螺旋;4—目镜;5—符合气泡观察窗;6—水准管;7—圆水准器;8—圆水准准器校正螺钉;9—脚螺旋;10—微倾螺旋;11—基座;12—物镜对光;13—水平微动螺旋
2.2.1.1 望远镜
望远镜是用来瞄准不同距离的水准尺并进行读数。如图2.4所示,该图是DS3型水准仪望远镜的构造图,它主要由物镜、目镜、调焦透镜、调焦螺旋和十字丝分划板所组成。
图2.4 望远镜构造
物镜和目镜均为复合透镜组。物镜的作用是将目标成像在十字丝平面上,形成缩小的实像。为使不同距离目标的像均能清晰地位于十字丝分划板上,需旋转物镜调焦螺旋,称为物镜调焦。目镜的作用是将物镜所成的目标实像连同十字丝一起,形成放大的虚像。为使十字丝影像清晰,需转动目镜调焦螺旋,称为目镜调焦。
望远镜涉及以下重要概念:
1.视准轴
视准轴是指物镜光心与十字丝交点的连线。观测时的视线即是视准轴的延长线。视准轴是水准仪的主要轴线之一。
2.望远镜的放大率
望远镜的放大率是指从望远镜内所看到的物体的像的视角与直接观察该物体的视角之比。DS3水准仪望远镜的放大率一般为30倍。
3.视差
用望远镜观测时,观测者的眼睛上下移动,如果目标的像与十字丝之间有相对移动,这种现象称为视差。视差的存在会影响精确照准和读数。其产生的原因是目标的影像没有准确成像在十字丝平面上。清除视差的方法是采用目镜调焦使十字丝清晰,然后照准目标,进行物镜调焦,使目标的影像清晰,移动眼睛观察视差是否清除,如仍存在视差,应反复调节目镜和物镜调焦螺旋。
4.正像与倒像
望远镜有正像和倒像两种类型。目前生产的水准仪多为正像。用望远镜读数时要分清正像与倒像,避免出错。
2.2.1.2 水准器
水准器有水准管和圆水准器两种。水准管用来使望远镜视准轴水平从而获得水平视线;圆水准器是使竖轴处于铅垂位置。
1.水准管
水准管,是一纵向内壁磨成圆弧形的玻璃管,管内装酒精和乙醚的混合液,加热融封冷却后留有一个气泡,如图2.5所示。由于气泡较轻,故恒处于管内最高位置。
图2.5 水准管
水准管上一般刻有间隔为2mm的分划线,分划线的对称中心O,称为水准管的零点。通过零点作水准管圆弧的切线,称为水准管轴LL,当水准管的气泡中点与水准管零点重合时,称为气泡居中,这时水准管轴LL处于水平位置。水准管圆弧长2mm所对的圆心角τ,称为水准管分划值,用公式表示即
式(2.6)说明圆弧的半径R越大,角值τ越小,则水准管灵敏度越高。DS3级水准仪水准管的分划值一般为20″。
微倾式水准仪在水准管的上方安装一组符合棱镜,如图2.6(a)所示。通过符合棱镜的反射作用,使气泡两端的像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗中。若气泡两端的半像吻合时,就表示气泡居中,如图2.6(b)所示。若气泡的半像错开,则表示气泡不居中,如图2.6(c)所示。这时,应转动微倾螺旋,使气泡的半像吻合。
图2.6 符合棱镜
图2.7 圆水准器
2.圆水准器
如图2.7所示,圆水准器顶面的内壁是球面,球面中央刻有小圆圈,圆圈的中心为水准器的零点。通过球心和零点的连线为圆水准器轴,当圆水准器气泡居中时,圆水准器轴处于竖直位置。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。DS3水准仪圆水准器的分划值一般为8'。由于它的精度较低,故只用于仪器的概略整平。
图2.8 水准尺
2.2.1.3 基座
基座的作用是支承仪器的上部,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,转动脚螺旋可使圆水准器气泡居中。
2.2.2 水准尺和尺垫
1.水准尺
水准尺是进行水准测量时与水准仪配合使用的标尺。其质量好坏直接影响水准测量的精度。因此,水准尺需用不易变形且干燥的优质木材制成,要求尺长稳定,分划准确。常用的水准尺有塔尺和双面尺两种,如图2.8所示。
如图2.8(a)为塔尺,塔尺多用于等外水准测量。其长度有3m和5m两种,用两节或三节套接在一起。尺的底部为零点,尺面上黑白格相间,每格宽度为1cm,有的为0.5cm,在米和分米处有数字注记。
如图2.8(b)为双面水准尺,双面水准尺多用于等级水准测量。其长度为3m,两根尺为一对。尺的两面均有刻划,一面黑白相间称为黑面;另一面红白相间称为红面。两面最小刻划均为1cm,并在分米处进行注记。两根尺的黑面均由零开始,而红面,一根尺由4.687m开始至7.687m,另一根由4.787m开始至7.787m。在视线高度不变的情况下,同一根水准尺的红面和黑面读数之差应等于常数4.687m或4.787m,这个常数称为尺常数,用K表示,以此可以检核读数是否正确。
图2.9 尺垫
由于水准仪的望远镜有正像与倒像两种类型,因此,在使用正像的水准仪时,应选用注记为正写的水准尺,在使用倒像的水准仪时,则应选用注记为倒写的水准尺。这样在望远镜读数时看到的均为正字。
2.尺垫
尺垫是在转点处放置水准尺用的。如图2.9所示,它用生铁铸成,一般为三角形,中央有一凸起的半球状圆顶,下方有三个支脚,用时将支脚牢固地插入土中,以防下沉和移位,上方凸起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。
注意:水准观测时,已知水准点和待定水准点上,切记不能放置尺垫。