建筑結構儀器水準測量原理與儀器操作

水準測量又名“幾何水準測量”，是用水準儀和水準尺測定地面上兩點間高差的方法。在地面兩點間安置水準儀，觀測豎立在兩點上的水準標尺，按尺上讀數(shù)推算兩點間的高差。通常由水準原點或任一已知高程點出發(fā)，沿選定的水準路線逐站測定各點的高程。

由于不同高程的水準面不平行，沿不同路線測得的兩點間高差將有差異，所以在整理國家水準測量成果時，須按所采用的正常高系統(tǒng)加以必要的改正，以求得正確的高程。

一、基本原理

水準測量是利用一條水平視線，并借助水準尺，來測定地面兩點間的高差，這樣就可由已知點的高程推算出未知點的高程。

結構

根據(jù)水準測量的原理，水準儀的主要作用是提供一條水平視線，并能照準水準尺進行讀數(shù)。因此，水準儀構成主要有望遠鏡、水準器及基座三部分。

A——后視點 a——后視讀數(shù)

B——前視點 b——前視讀數(shù)

1、A、B兩點間高差

2、B點的高程

3、視線高程

4、轉點TP(turning point)的概念

若A、B 兩點間布設一些過渡點（轉點）1、2、3…，將其分為n段，則用水準儀分別測得各段高差為h1， h2… hn，則有：

二、水準測量的儀器與工具

（一）水準儀(level)組成

1、望遠鏡(telescope)

■物鏡

■目鏡

■十字絲（上、中、下絲）

三個部分組成。

物鏡和目鏡多采用復合透鏡組，十字絲劃板上刻有兩條互相垂直的長線，豎直的一條稱豎絲，橫的一條稱為中絲，是為了瞄準目標和讀取讀數(shù)用的。在豎絲的上下還對稱地刻有兩條與中絲平行的短橫線，是用來測定距離的，稱為視距絲。十字絲分劃板是由平板玻璃圓片制成的，平板玻璃片裝在分劃板座上，分劃板座固定在望遠鏡筒上。

十字絲交點與物鏡光心的連線，稱為視準軸或視線。水準測量是在視準軸水平時，用十字絲的中絲截取水準尺上的讀數(shù)。

對光凹透鏡可使不同距離的目標均能成像在十字絲平面上。再通過目鏡，便可看清同時放大了的十字絲和目標影像。從望遠鏡內(nèi)所看到的目標影像的視角與肉眼直接觀察該目標的視角之比，稱為望遠鏡的放大率。DS3級水準儀望遠鏡的放大率一般為28倍。

2、水準器(bubble)

■圓水準器(circular bubble) ：用于整平。

■水準管(bubble tube) ： 用于精平。

特性：氣泡始終向高處移動。

水準器是用來指示視準軸是否水平或儀器豎軸是否豎直的裝置。有管水準器和圓水準器兩種。管水準器用來指示視準軸是否水平；圓水準器用來指示豎軸是否豎直。

3、基座(tribrach)

基座的作用是支承儀器的上部并與三腳架連接。它主要由軸座、腳螺旋、底板和三角壓板構成。

（二）水準尺(leveling staff)主要有單面尺、雙面尺和塔尺。

1、尺面分劃為1cm，每10cm處（E字形刻劃的尖端）注有阿拉伯數(shù)字。

2、雙面尺的紅面尺底刻劃：一把為4687mm，另一把為4787mm。

（三）尺墊(staff plate)

尺墊由三角形的鑄鐵塊制成，上部中央有突起的半球，下面有三個尖角以便踩入土中，使其穩(wěn)定。

使用時，將尺墊踏實，水準尺立于突起的半球頂部。當水準尺轉動方向時，尺底的高程不會改變。

三、水準儀的使用

操作程序：粗平—瞄準—精平—讀數(shù)

（一）粗平

安置水準儀打開三腳架并使高度適中，目估使架頭大致水平，檢查腳架腿是否安置穩(wěn)固，腳架伸縮螺旋是否擰緊，然后打開儀器箱取出水準儀，置于三腳架頭上用連接螺旋將儀器牢固地固連在三腳架頭上。

粗平是借助圓水準器的氣泡居中，使儀器豎軸大致鉛垂，從而視準軸粗略水平。在整平的過程中，氣泡的移動方向與左手大拇指運動的方向—致。調節(jié)腳螺旋，使圓水準氣泡居中。

1．方法：

對向轉動腳螺旋1、2——使氣泡移至1、2方向中間——轉動腳螺旋3，使氣泡居中。

圖形：粗平的操作方法示意圖

2．規(guī)律：

氣泡移動方向與左手大拇指運動的方向一致。

（二） 瞄準

首先進行目鏡對光，即把望遠鏡對著明亮的背景，轉動目鏡對光螺旋，使十字絲清晰。再松開制動螺旋，轉動望遠鏡，用望遠鏡筒上的照門和準星瞄準水準尺，擰緊制動螺旋。然后從望遠鏡中觀察；轉動物鏡對光螺旋進行對光，使目標清晰，再轉動微動螺旋，使豎絲對準水準尺。

當眼睛在目鏡端上下微微移動時，若發(fā)現(xiàn)十字絲與目標影像有相對運動，這種現(xiàn)象稱為視差。產(chǎn)生視差的原因是目標成像的平面和十字絲平面不重合。由于視差的存在會影響到讀數(shù)的正確性，必須加以消除。消除的方法是重新仔細地進行物鏡對光，直到眼睛上下移動，讀數(shù)不變?yōu)橹?。此時，從目鏡端見到十字絲與目標的像都十分清晰。

1．方法：先用準星器粗瞄，再用微動螺旋精瞄。

2．視差：

概念：眼睛在目鏡端上下移動時，十字絲與目標像有相對運動。

產(chǎn)生原因：目標像平面與十字絲平面不重合。

消除方法：反復交替調節(jié)目鏡和物鏡對光螺旋。

（三）精平

1、方法：如圖所示，調節(jié)微傾螺旋，使水準管氣泡成像拋物線符合。

2、說明：自動安平水準儀（compensator level），不需進行精平。

（四）讀數(shù)

精平后，用十字絲的中絲在水準尺上讀數(shù)。

1．方法：米、分米看尺面上的注記，厘米數(shù)尺面上的格數(shù)，毫米估讀。

2．規(guī)律：讀數(shù)在尺面上由小到大的方向讀。故儀器若成倒像的，從上往下讀；若成正像，即從下往上讀。

4. 水準儀讀數(shù)實例