水准仪

本文介绍了广泛用于地形、工程、矿山、水文、农用水利等进行水准测量使用的水准仪的结构及工作原理，并对检定时常见问题及处理方法进行了简介。

一、水准仪的结构及工作原理

(一)水准仪简介

水准仪是用于测量平面点之间的高低关系时提供水平视线的仪器，按精度分为DS05，DS1，DS3等几种型号，工程测量常用的是DS3级水准仪。其中“D”和“S”分别为“大地”和“水准仪”首字汉语拼音的首字母，而下标是仪器的精度指标，即每千米测量中的偶然误差(以mm为单位)。

目前常用的水准仪从构造上可分为利用水准管来获得水平视线的“微倾式水准仪”和利用补偿器来获得水平视线的“自动安平水准仪”两大类：此外，还有一种新型的水准仪——“电子水准仪”，它配合条形码标尺，利用数字化图像处理的方法，可自动显示高程和距离，使水准测量实现了自动化。

(二)水准仪的结构与工作原理

以微倾式水准仪为例，水准仪主要由望远镜、水准器、基座三部分组成。

1. 望远镜

水准仪的望远镜有两大功能：提供一条找准目标的视准轴；看清不同距离的目标。

①物镜和目镜提供一条找准目标的视准轴；看清不同距离的目标。②十字丝分划板是为了瞄准目标和读数使用。③视准轴是十字丝交点与物镜光心的连线，用CC表示；视准轴的延长线即为视线，水准测量就是在视准轴水平时，用十字丝的中丝在水准尺上截取读数。④水平制动螺旋和微动螺旋可控制望远镜水平转动。

2.水准器

(1)圆水准器

①作用：用于仪器的粗略整平；②水准器的零点：圆形分划圈的ZX；③圆水准器轴：过零点的球面法线L′L′，称为圆水准器轴；圆水准器轴L′L′平行于仪器竖轴VV；④分划值：气泡ZX偏离零点2mm时竖轴所倾斜的角值称为圆水准器的分划值，一般为8′/2mm—10′/2mm，精度较低。

(2)管水准器

①作用：精确整平仪器；②水准管零点：2mm分划线的对称ZX；③水准管轴：通过零点与圆弧相切的纵向切线LL称为水准管轴。水准管轴平行于视准轴；④分划值：水准管上2mm圆弧所对的圆心角。水准管分划值越小，水准管灵敏度越高，用其整平仪器的精度也越高。DS3型水准仪的水准管分划值为20″，记作20″/2mm。为了提高水准管气泡居中的精度，采用符合水准器。

3.基座

①组成：轴座、脚螺旋、三角压板和底板；②作用：支承仪器的上部，并通过连接螺旋与三脚架连接，转动脚螺旋，可调节圆水准气泡。

二、水准仪的视准线误差的检定

JJG425―2003《水准仪检定规程》中规定，水准仪规定需要检定的内容包括以下项目：

(1)望远镜分划板横丝与竖轴的垂直度；

(2)测微器行差与回程差；

(3)视准线的安平误差；

(4)望远镜视轴与管状水准泡轴在水平面内投影的平行度(交叉误差)；

(5)视准线误差(i角)；

(6)望远镜调焦运行误差；

(7)自动安平水准仪检定；

①补偿误差及补偿器工作范围；②双摆位误差。

三、水准仪检定时常见问题及处理

以工程测量常用，也是日常工作中大量检定的DS3型水准仪为例，在检定过程中发现的一些问题以及及处理方法经验总结；DS3型水准仪在使用与送检的过程中受到意外的震动或者在保养修理时全部拆卸而重新安装之后，往往由于各种原因使各光学零件和金属部件未安装到位，造成各部件相对位置的改变，在检定中会出现不合格项，必须进行调修，其原因可能有以下几种情况：

(一) 目镜调焦时转动困难和有“沙沙”声

产生问题原因：是由于目镜筒的调焦螺纹与目镜座螺纹之间润滑油干涸和灰砂的侵入造成的。

处理方法：拆卸目镜用汽油清洗目镜筒调焦螺纹之间及目镜罩部分干涸的油泥及灰砂，待汽油挥发完，涂上新的调焦螺旋润滑油脂即可。

(二)目镜调焦时，分化板不清晰

产生的原因：分化板上有油污、水油性雾、发霉、脱胶或掉膜。

处理方法：拆卸目镜后将分划板彻底擦拭或除霉，必要时更换新的分划板。

(三)物镜成像不清晰

产生的原因及处理方法常有以下几种情况：①物镜镜片不共轴，旋转物镜透镜组之间的相互位置，使它对准拆前所画的记号或出厂记号。②物镜透镜之间所用的垫圈厚薄不均匀，按拆卸时所画的记号重新安装。③物镜的镜片未落到各自接触面上透镜正反面装错，需重新安装。

(四)物镜成像不清晰

转动调焦手轮时，调焦镜筒不能前后移动，无法清晰地照准目标其产生的原因有：①定位销脱落，重新安装新的定位销；②调焦齿轮与齿条未啮合好，处理时，把齿条紧靠齿轮后，固紧调焦手轮座，将调焦弹簧座右旋，使齿条与齿轮保持啮合状态，转动调焦手轮松紧适宜为止。

(五)圆水准器在使用过程中气泡不稳定

产生的原因有：①校正螺钉滑扣，配换一个新的校正螺钉；②封固水准器的石膏松动，重新浇灌石膏；③圆水准器底盖松动，旋紧圆水准器底盖。

(六) 视准器分化线影像错开

棱镜盒在水准器轴线方向上位置不正确。调整时，旋松棱镜盒的两只固定螺钉，将棱镜盒沿水准器轴线方向移动，使两分划线影像重合成一条直线后固紧螺钉。

(七)管状水准器在使用过程中气泡不稳定

产生的原因及处理方法：①校正螺钉或螺母滑扣(螺纹损坏)，配换一个新的校正螺钉；如果螺母滑扣，用较大的丝攻重新攻扣，再配一个同规格的校正螺钉；②封固水准器的石膏松动，重新浇灌石膏；③水准器曲率半径不均匀，更换新的水准器；④水准器连接处固定不牢，重新紧固水准器盖、圆球螺钉及圆球压盖。

四、结语

以上是以DS3型水准仪为例，在检定各种型号的水准仪过程中发现的一些常见问题以及处理方法的经验总结，希望能对从事相关工作的同行有所帮助。

与水准仪的工作原理及常见问题相关文文章：

水准仪是借助仪器的水平视准线作为基础。它广泛应用于工程测量、大地水准测量、地震形变测量、各种工程水准测量与大型精密机械安装等领域中。水准仪当受到冲撞、震动、保管不慎或频繁使用时导致出现许多故障，因此探讨快速检修及日常保养的方法是非常必要的。

水准仪是借助仪器的水平视准线作为基础，进行高差测量的光学仪器。主要部件有望远镜管、水准器(或补偿器)、垂直轴、基座、脚螺旋等，按结构分为微倾水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和数字水准仪(又称电子水准仪)；按精度分为精密水准仪和普通水准仪。它广泛应用于工程测量、大地水准测量、地震形变测量、各种工程水准测量与大型精密机械安装等领域中。

一、水准仪的调修

仪器在出厂时，都按《部颁标准》规定，进行零部件及整体检验，保证仪器的精度。由于水准仪使用环境较室内条件相差很多，计量性能很容易发生变化，而按照检定规程要求，检定周期一般为一年，因此送检到计量部门要求检定的水准仪在检定过程中一般都需要简单的调修，才能保证水准仪所有的计量，性能都能符合规程的要求。在调修时要注意以下几点：

(1)了解仪器使用年限和修理历史，了解仪器的结构原理，熟悉仪器的有关技术资料。

(2)根据仪器检定结果，查找仪器不合格原因，尤其要查出仪器故障的部位，只有查明原因和部位之后，才能确定仪器的调修方案，切记盲目拆卸和调修仪器。

(3)拆卸仪器时，要根据有关的调修资料所提供的先后次序，按步骤进行。同时只拆卸有故障的部位，与故障无关的部位不要拆卸仪器拆卸一次，对仪器零部件之间的位置不可能完全恢复到原有位置，有时还会降低仪器的准确度或使光路系统发生变化对于精密的机械部分，如轴系也应特别注意。

(4)调修光路系统，要了解光线经过每一个光学零件后成像位置的变化。

(5)拆卸时要注意零件的相互位置关系Z好在拆卸之前划上明显的装配号，以便装配时不致弄错。

(6)拆下的零件要认真清洗，擦试光学零件时，防止清洁液进入胶合面。

(7)轴系的润滑要正确使用润滑油，用油不宜过多，以避免双周期变化的误差。油的性能，要保证在-25℃～45℃范围内，仪器能正常使用。轴系或测微器手轮等因磨损松动，切忌用羊毛脂填塞。

(8)仪器经调修完毕，装配零件时，要按照先拆的零件后装，后拆的零件先装的原则，逐步装配，同时逐步检查装配的正确性，使每道工序都正确无误，避免造成返工。

(9)装好的仪器，要检查各制动手轮微动手轮作用的可靠性。

(10)调修好的仪器，根据修理情况，要重新进行部分项目或全部项目的检定。在进行部分项目的检定时，相关项目也要检定。

总之，水准仪的检修工作一定要认真仔细在调修前一定要认真阅读仪器，说明书及有关技术资料。在充分了解仪器结构的前提下，再进行仪器的调修工作。

二、水准仪常见故障与维修

水准仪在进行检定前必须对故障进行修理，才可以进行检定。这样，对检定人员来说，掌握水准仪的故障修理技术是非常必要的。

1、机械转动部分

首先，基座的三个脚螺旋松紧合适，无晃动、卡死等现象。其次，竖轴转动应均匀、灵活，制微动机构应可靠无卡滞、松动和影响操作的现象，调焦手轮转动应舒适，调节目镜转动无干涩、晃动等现象。若有上述缺陷，可通过调整、清洗、上油、更换零件等方法处理。

2、圆水准器轴与竖轴不平行

将仪器固定在三脚架上，调整脚螺旋，使水泡位于分划圈ZY(调整时，若水泡出现停滞、跳动现象，则应更换水泡)。然后将望远镜绕竖轴旋转180度，观察水泡是否居中，如不居中则须调整，用脚螺旋调整偏差量的一半，通过调整圆水准器上的校正螺丝，调整气泡偏差量的另一半。反复几次，直至望远镜旋转至任意位置水泡均在分划圈的ZY。要注意的是：调整水泡时，一定要把握其移动的方向，这样校正才能又快又准确。

3、微动螺旋空转

在接近目标时微动螺旋不能起到微调作用，此事要检查仪器微动螺旋和仪器轴是否摔坏变形，如果微动螺旋和轴摔坏变形则须更换为配件即可，如果不是上诉原因，则须调整微动螺旋上的固紧螺丝或水准器轴与底座的固紧螺丝。要注意的是：固紧螺丝的调整力度要合适。

4、十字丝横丝不水平

仪器整平后，用横丝的一端瞄准墙上一固定点，转动水平微动螺旋，观察该点是否离开横丝，如果离开表示横丝不水平，需要校正；如果点子始终在横丝上移动，则表示横丝水平。检验时也可用挂垂球的方法：观察十字丝竖丝是否与垂球线重合，如重合说明横丝水平。

要注意的是：垂球线要细不能晃动。由于十字丝装置的形式不同，校正方法也有所不同，可用螺丝刀松开十字丝环的校正螺丝，拨正十字丝环。或需要卸下目镜处的外罩，用螺丝刀松开四个十字丝的固定螺丝，然后拨正十字丝环。Z后再旋紧校正螺丝，此项检校也须反复进行，直到条件满足为止。

5、光学成像部分

①光学零件表面应无明显的或影响使用的水汽、霉斑、灰尘、油迹等缺陷。若有上述缺陷，可用酒精与乙 醚的混合液来擦拭清洗。

②如脱胶、脱膜、破裂视场亮度应均匀良好，分划板、测微尺、水准器成像不清晰。刻线平直无结节、断线等现象。可通过调整、防护、更换零件等方法处理。

③仪器在使用中由于经常搬动和受到外部撞击，物镜位置或调焦手轮与齿条位置发生变化，导致看不清目标，此时可用螺丝刀松开固定物镜或调焦手轮上的螺钉，将仪器对准光管并使光管处于无穷远位置，然后将仪器调整到Z清晰状态即可。

6、i角校正

(1)把仪器安置在脚架上，并放在相距约(60-80)米远的两根线杆或两墙之间。仪器安放的中间位置要用钢尺量取。

(2)转动三个脚螺旋使圆气泡居中，精确整平仪器。

(3)将两根相同的标尺固定在两根线杆或两面墙上，依次用水平视线瞄准这两根标尺，为此可使用标尺上同一读数注记分划。可以上下移动标尺，使仪器对准标尺上相同的部位或数字。

(4)移动仪器，使测站离开其中一个标尺距离为3～5米，转动脚螺旋，使气泡居中。

(5)用水平视线照准这两根标尺，并读取标尺上的读数。如果两个标尺上的读数一致，那么则不需要校正仪器。如果读数不同，则须按下述方法进行校正。

(6)首先将仪器照准较远的标尺，根据需要上下移动水平横丝，直到该横丝在远尺上的读数与近尺上的读数相同为止，移动水平横丝可利用校正针。先松开横丝待移动方向的一边的校正螺丝，然后旋紧另一边校正螺丝，且转动量相同，校正时校正螺丝不可松开太多，只能是尽可能松开少一些，要使螺丝受力状况保持不变，螺丝转动量应保持等量的原则，逆时针旋转为松开，顺时针旋转为旋紧。

(7)当校正结束后，用上述的方法重新检查一遍仪器。如果还不正确，则重新校正。

7、自动补偿器。

首先听其声音是否清脆、正常，察看补偿机构有无卡死或损坏等现象，然后检验补偿误差是否超限。

①补偿范围的调校

将仪器放于校正台上，将仪器整平，在仪器补偿范围内，倾斜仪器(即使仪器前高后低或后高前低)，此时若仪器分划板十字丝高于或低于标准目标十字丝，说明该仪器的补上范围超差需要调整，将仪器上盖打开取出补偿器，调整补偿器正下方两悬垂的长螺钉来校正，直至调整到允许范围之内。

②补偿器交叉误差的调校

同样方法按①中所诉方法检查补偿器交叉误差，可通过调整补偿器左右两边偏上处的两颗小螺钉来校正，直至调整到允许范围之内。

③如果是补偿器的吊丝拉长或阻尼盒间隙发生变化导致补偿器不补偿或超差，可调整补偿器四根吊丝的长短或阻尼盒的间隙来消除误差，如果不能排除故障还可更换整个补偿器。

三、结束语

凡是修理后的水准仪都要进行计量检定。依据水准仪国家计量检定规程的检定方法进行，使其各项计量性能指标均满足检定规程的要求。

与水准仪常见故障及调修相关文文章：

在工程测量中，水准仪的应用是比较频繁的。而水准仪在搬运途中和平时测量时都会对仪器里面的各轴产生影响，从而影响测量的精度。而为了及时发现并消除或减弱测量误差，水准仪的检验和校正就成为了日常工作当中的一个重要步骤。

一、水准仪的检验与校正

水准测量又称为“几何水准测量”，其原理是：用一条水平线和水准尺来测定两点之间的高差。而水准仪的主要作用就是提供这条水平线。水准测量中的误差来源：a.人的因素；b.环境因素；c.仪器的因素。人和环境引起的各种误差是不能消除的，只能通过观测人员仔细观测和避开环境变化大的时间点来减弱他们的影响。而仪器本身造成的误差是可以通过对仪器的检验和校正及时发现并消除的。

水准仪误差主要有几点：a.圆水准器轴与竖轴不平行引起的误差；b.目镜里的十字丝不垂直于竖轴引起的误差；c.视准轴与长水准轴不平行引起的误差即i角。下面主要介绍以上三点误差的检验与校正。

1、圆水准器轴与竖轴是否平行的检验与校正

架设好水准仪，将圆水准器气泡调整到分划圈zhong心，将望远镜绕竖轴旋转到任意方位，如果气泡偏出分划圈，说明这两个轴不平行超出限差要求，须对仪器进行校正。

校正方法：首先将望远镜旋转并平行于两个角螺旋连线方向，并将圆水准器泡居中。然后将望远镜旋转180度，利用校正螺丝将圆水准气泡调进分划圈一半的量，再利用脚螺旋将圆水准气泡居中。Z后将望远镜调到任意方向，如气泡没有偏出分划圈则说明校正成功，否则继续上面步骤直到圆水准气泡不再偏出分划圈。

当进行调校时，不能只调某一个螺丝，要两个一起调。这样，一松一紧很容易就能达到调校的效果，否则只紧一个螺丝，很容易就将螺丝拧断，只松一个螺丝，这样根本固定不住圆水准气泡，一旦发生振动，气泡还是会偏出分划圈。故我们调校圆水准气泡时要使校正螺丝处于Z恰当的位置，即不会太松也不会太紧。

2、十字丝横丝垂直于竖轴的检查与校正

当仪器没问题时，十字丝横丝肯定是垂直于竖轴的。但是在运输途中十字丝难免会发生细小的转动。架设仪器，精平，在水平方向上找一点，然后望远镜瞄准该点，将十字丝横丝的一端与该点重合，再转动望远镜，观测该点是否一直与横丝重合，如重合则说明没问题，否则就说明十字丝不是水平的，需要校正。十字丝横丝垂直于竖轴的校正只需将十字丝转动偏移量的一半就可以了。当我们转动望远镜时，如果发现十字丝并不是直线移动，而是曲线运动，则说明水平微动螺旋出现了问题，需要送仪器维修部修理。

3、视准轴与长水准轴是否平行的检验与校正

长水准轴与视准轴是平行的，但是往往他们又难以保持严格的平行，仪器的运输，搬运，温度变化等等因素都会使两轴在垂直面的投影发生交叉，而两轴在垂直面的投影的夹角即i角。只要i角不超过某一限值，那么就不影响水准测量的精度。如何检测i角呢?

a. 在地势平坦的路面选两个点A和B，使AB相距50米。在AB两点上立水准尺，并在AB两点中间架设水准仪，分别度数A1和B1；b.搬动仪器至距A点3米远的距离架设水准仪，分别读数A2和B2。那么i={[(A1-B1)-(A2-A2)]/50｝ρ，其中ρ=206265。其中一二等水准测量要求i≤15″。三四等水准测量要求i≤20″。

如所计算i角超出规范要求则需要校正。校正方法是通过十字丝上下移动来改正。需要注意的是，因为i角的不确定性，所以要将i角的检测作为日常工作的一部分。新开始的一个工程，当开始进行水准测量时，diyi个星期每天要进行i角检测，如果i角检测稳定，则每半个月检测一次。

二、总结

总之引起水准仪测量误差的原因有很多，比如人为观测误差，环境变化影响仪器内部组件发生变化产生的误差，仪器本身因为运输颠簸使内部组件产生轻微变化引起的误差等等。归根结底就两种一种偶然误差，一种系统误差。偶然误差是无法避免的，而系统误差是可以通过对仪器的检校来及时发现并消弱或消除误差影响的。所以为了提高我们在测量上的观测精度，对仪器的检验校正是必不可少的日常工作。

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