水準儀(英文:level)是建立水平視線測定地面兩點間高差的儀器。原理為根據水準測量原理測量地面點間高差。主要部件有望遠鏡、管水準器(或補償器)、垂直軸、基座、腳螺旋。按結構分為微傾水準儀、自動安平水準儀、激光水準儀和數字水準儀(又稱電子水準儀)。按精度分為精密水準儀和普通水準儀。
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。作業時先用圓水準器將儀器粗略整平,每次讀數前再借助微傾螺旋,使符合水準器在豎直面內俯仰,直到符合水準氣泡精確居中,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,儀器結構堅固,特別是望遠鏡與管水準器之間的聯接牢固,裝有光學測微器,并配有精密水準標尺,以提高讀數精度。中國生產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,光學測微器最小讀數為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。自動安平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。補償的基本原理是:當望遠鏡視線水平時,與物鏡主點同高的水準標尺上物點P構成的像點Z應落在十字絲交點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Z仍在原處,這樣即產生一讀數差ZZ。當很小時可以認為ZZ 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,使光線產生屈折角β,在滿足α×f′=β×S(S為補償器至十字絲中心的距離,即KZ)的條件下,像Z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Z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Z上,也同樣能達到Z和Z重合的目的。自動安平補償器按結構可分為活動物鏡、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,補償元件將產生擺動,為使“擺”的擺動能盡快地得到穩定,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、精度穩定,尤其在多風和氣溫變化大的地區作業更為顯著。激光水準儀利用激光束代替人工讀數的一種水準儀。將激光器發出的激光束導入望遠鏡筒內,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。經過望遠鏡調焦,在波帶板的調焦范圍內,獲得一明亮而精細的十字型或圓形的激光光斑,從而更精確地照準目標。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件裝配中,常用激光水準儀建立水平面或水平線。
數字水準儀是目前最先進的水準儀,配合專門的條碼水準尺,通過儀器中內置的數字成像系統,自動獲取水準尺的條碼讀數,不再需要人工讀數。這種儀器可大大降低測繪作業勞動強度,避免人為的主觀讀數誤差,提高測量精度和效率。電子水準儀電子水準儀又稱數字水準儀,它是在自動安平水準儀的基礎上發展起來的。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年前照準標尺和調焦仍需目視進行。人工完成照準和調焦之后,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。因此,如果使用傳統水準標尺,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方法:
1)相關法(徠卡NA3002/3003)
2) 幾何法(蔡司DiNi10/20)
3) 相位法(拓普康DL101C/102C)
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平,使圓氣泡居中,跟著調平管水準器。水平制動手輪是調平的,在水平鏡內通過三角棱鏡反射,水平重合,就是平水。將望遠鏡對準未知點(1)上的塔尺,再次調平管水平器重合,讀出塔尺的讀數(后視),把望遠鏡旋轉到未知點(2)的塔尺,調整管水平器,讀出塔尺的讀數(前視),記到記錄本上。
計算公式:兩點高差=后視-前視。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值。用校針將水準儀的上下螺釘調整,使管水平泡吻合為止。重復以上做法,直到相等為止。保養與維修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,由熟悉儀器結構者或修理部修理
4.每個微調都應輕輕轉動,不要用力過大。鏡片、光學片不準用手觸片
5.每次使用完后,應對儀器擦干凈,保持干燥。水準儀 - 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,轉動目鏡調焦螺旋,使十字絲最清晰。再松開固定螺旋,旋轉望遠鏡,使照門和準星的連接對準水準尺,擰緊固定螺旋。最后轉動物鏡對光螺旋,使水準尺的清晰地落在十字絲平面上,再轉動微動螺旋,使水準尺的像靠于十字豎絲的一側。
4. 精平 精平是使望遠鏡的視線精確水平。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,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。這時可用右手轉動 微傾螺旋使氣泡兩端的象完全符合,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 用十字絲,截讀水準尺上的讀數。水準儀多是倒象望遠鏡,讀數時應由上而下進行。先估讀毫米級讀數,后報出全部讀數。注意,水準儀使用步驟一定要按上面順序進行,不能顛倒,特別是讀數前的符合水泡調整, 一定要在讀數前進行。