任务1.8 了解自动安平水准仪和精密水准仪

1.8.1 自动安平水准仪简介

自动安平水准仪是一种新型测量仪器。用DS₃微倾式水准仪进行水准测量时，圆气泡居中后，还要转动微倾螺旋使水准管气泡居中，视线水平才能读数。而自动安平水准仪在仪器内装置了自动安平补偿器代替了水准管，在使用时只要圆气泡居中后就能自动提供一条水平视线。即圆气泡居中，就可以读数。这种仪器具有操作简便、测量速度快、精度高等特点，深受广大测量人员的欢迎，广泛应用于各种工程建设。自动安平水准仪种类较多，如图1.8.1（a）和图1.8.1（c）所示分别为北京光学仪器厂早期生产的ZDS₃-1自动安平水准仪和广东科力达有限公司生产的A型自动安平水准仪。

1.自动安平水准仪的基本原理

自动安平水准仪的基本原理是在水准仪的光学系统中，设置一个自动安平补偿器，用以改变光路，使视准轴略有倾斜时，视线仍然保持水平，达到水准测量的要求。

如图1.8.2所示，当视准轴水平时，在水准尺读数为a，即a点的水平视线通过物镜光路到达十字丝的中心。当视准轴倾斜了一个小角度α时，如图1.8.2所示，视准轴读数为a₀，为了使十字丝横丝读数仍为视准轴水平时的读数a，在望远镜的光路中加入一个补偿器，使通过物镜光心的水平视线经过补偿器的光学元件后偏转了一个β角，水平光线将落在十字丝交点处，从而得到正确读数。补偿器要达到补偿的目的应满足下式

2.自动安平水准仪使用

自动安平水准仪的使用和微倾式水准仪使用方法基本相同，但自动安平水准仪不需要手动精平，其基本使用方法是：粗平—照准—读数。即首先用脚螺旋使圆水准气泡居中（粗平），然后用望远镜照准水准尺，十字丝中丝在水准尺上读得的数，就是视线水平时的读数。操作步骤比普通微倾式水准仪简化，从而大大地提高工作效率。

1.8.2 精密水准仪简介

精密水准仪主要用于国家的一等、二等精密水准测量、地震水准测量、大型桥梁的施工测量以及大型的机械安装测量和变形观测等。精密水准仪分为DS₁和DS_0.5等级，如威特厂N₃型和蔡司厂Ni004型的水准仪。并配备有精密水准尺。精密水准仪的望远镜放大率大、亮度好，水准管灵敏度高，仪器结构稳定，读数精确，仪器密封性能好。

图1.8.3所示为威特N₃型精密水准仪，望远镜放大率为42倍。水准管分划值为10″/2mm，配合使用10mm分划的水准尺，转动测微螺旋，可使水平视线在10mm范围内作平行移动，测微尺100 个分格，分格值为0.1mm，可以估读0.01mm。

N₃型精密水准仪的使用方法与一般水准仪的使用方法基本相同，其主要差别在读数上。如图1.8.4所示，威特水准仪附有铟钢水准尺一副，尺面有两排分划线，相邻分划线的长度为1cm，每隔2cm注一数字。正对尺面左侧尺像为基本分划，注记从零开始。右侧尺像为辅助分划，注记从301.550cm开始。在同一水平线上尺上基、辅分划读数差值为301.550m，以便观测时进行校核。

在瞄准水准尺进行读数时，先转动微倾螺旋使水准管气泡居中（水准管气泡两端半像符合），再转动测微轮使十字丝的楔形丝恰好夹住某一基本分划线，如图1.8.4中对准152cm分划线，在测微窗上读取读数为562（尾数估读），实际读数为0.562cm，两数相加为152.562cm，然后再按以上方法读辅助分划的读数设为454.113cm，两数相差301.551cm，误差为0.001cm。

北京测绘仪器厂生产DS₁ 型精密水准仪，如图1.8.5所示，其读数方法如图1.8.6所示，其望远镜的放大率为40倍，水准管分划值为10″／2mm，配合使用的为5mm分划的精密水准尺，转动测微螺旋，可以使水平视线在5mm范围内作平行移动，测微分划尺有100个分格，分格值为0.05mm，望远镜目镜视场中看到的水准尺和十字丝影像等如图1.8.6所示，视场左边为水准管气泡的符合影像。测微器读数镜在目镜的右下方，影像如图中小圆圈内所示。通过测微装置使视线平行移动，为了能精确地对准水准尺上某一分划，精密水准仪的十字丝横丝（一侧或两侧）刻成楔形的双丝，用它去“夹住”某一分划，如图1.8.6所示。进行水准测量时，先转动微倾螺旋使水准管气泡两端的影像严格符合，这时，视线水平。再转动测微轮使楔形丝夹住某一分划，读出整分划数，图中读数为1.97m；然后从测微读数显微镜中读得尾数1.50mm，全部读数为1.97150m，由于这种水准尺为5mm分划，注字比实际长度大一倍，因此，实际读数应为1.97150÷2=0.98575m。

1.8.3 电子水准仪简介

1.电子水准仪基本结构

1987年瑞士徕卡（Leica）公司推出了世界上第一台电子水准仪NA2000。NA2000首次采用数字图像技术处理标尺影像，并以CCD阵列传感器取代测量员的肉眼对标尺读数获得成功。这种传感器可以识别水准标尺上的条码分划，并用相关技术处理信号模型，自动显示与记录标尺读数和视距，从而实现水准观测自动化。

蔡司、拓普康、索佳等测量公司也先后推出了各自的电子水准仪。到目前为止，电子水准仪已经发展到了第二代、第三代产品，仪器测量精度已经达到了一等、二等水准测量的要求。图1.8.7为蔡司DINI10/20电子水准仪的外观图。

电子水准仪是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。各厂家的电子水准仪采用了大体一致的结构，其基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成。电子设备主要包括调焦编码器、光电传感器（即线阵CCD器件）、读数电子元件、单片微处理机、接口（外部电源和外部存储记录）、显示器件、键盘以及影像数据处理软件等，标尺采用条形码标尺供电子测量使用。

各厂家标尺的编码方式和电子读数求值过程由于专利权的原因而完全不同，因此不能互换使用。目前采用电子水准仪测量，照准标尺和调焦仍需人工目视进行。人工完成照准和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测；另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电传感器即线阵CCD器件上，供电子读数。因此，如果使用传统水准标尺，通过目视观测，电子水准仪又可以像普通自动安平水准仪一样使用，但是由于电子水准仪没有光学测微装置，当成普通自动安平水准仪使用时，测量精度低于电子测量时的精度。

2.电子水准仪的特点

电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器（CCD），并采用条码标尺和图像处理电子系统而构成的光电测量一体化的高科技产品。

采用普通标尺时，又可像一般自动安平水准仪一样使用。它与传统仪器相比有以下特点：

（1）读数客观。不存在误读、误记问题，避免了人为读数误差。

（2）精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图像经处理后取平均数得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员也能进行高精度测量。

（3）速度快。由于省去了报数、听记、现场计算以及人为出错的重复观测，测量时间与传统仪器相比可以节省1／3左右。

（4）效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录、检核、处理并能输入电子计算机进行后处理，可实现内外业一体化。

（5）操作简单。由于仪器实现了读数和记录的自动化，并且预存了大量测量和检核程序，在操作时还有实时提示，测量人员在学习中很快就能掌握使用方法，减少了培训时间，即使是非专业人员也能很快熟练掌握使用仪器。