1、大地測量儀器學一、水準器的用途 水準器用來指示儀器的某一軸線處于水平或鉛垂位置，如水準儀就借助于它將望遠鏡視線安平；經緯儀就借助于照準部上的水準器將豎軸安放至鉛垂位置等等。 水準器也用來精確地測量微小傾角，如經緯儀橫軸傾斜量的測量。水準器在大型及精密機械設備安裝中使用也相當廣泛，如精密圓刻線機的安裝，大型發電機主軸的安裝、礦井大型提升機主軸的安裝等等。第四章 水準器4.1水準器的結構原理與分類大地測量儀器學二、水準器的結構原理 目前水準器均用玻璃管(或片)將其內壁研磨成一定曲率，里面填充精餾乙醇或乙醚等，在封口前內腔形成一氣泡，如圖4-1。在水準器中點O對管內圓弧所作的切線LL，稱為水準器軸，

2、它與通過O點的鉛垂線OO垂直。為了指示氣泡的位置，在玻璃管(或片)上均刻有分劃線，格寬一般均為2毫米。大地測量儀器學 水準器的格值：每一格分劃(2毫米)所對應的圓弧角為圖4-1大地測量儀器學式中R為圓弧半徑，單位為毫米。格值(角值) 也可理解為氣泡移動2毫米時，水準器所傾斜的角度值。它與R成反比，從幾何尺寸來講，R值是水準器精度的決定因素，當 時R=412530米，當 時R=0115米。三、水準器的分類 從形狀分有管狀水準器(亦稱長水準器)和圓形水準器。大地測量儀器學 圓形水準器如圖4-2所示，上部玻璃片內表面為一均勻的圓球面，并劃有同心分劃圈，片下部為一帶封嘴的玻璃座，兩者用專門的合成膠膠合

3、在一起。從目前使用情況來看，膠合面脫膠的問題未得到徹底解決，各國都在提高膠的牢度上下功夫。我國有的廠家為了解決脫膠問題，將上玻璃片與玻璃座進行熔接，脫膠問題得到徹底解決，但在燒熔過程中玻璃片內表面的R易變形，而且不能在短時間內穩定下來。廢品率也比膠合的高。 如圖4-2大地測量儀器學 圓水準器的格值，是指氣泡由圓水準器分劃中心向任意方向移動2毫米時，水準器所傾斜的角度。格值有8、15、30、60等。 長水準器(圖4-1)和圓水準器(圖4-2)，一般均采用燒制過的石膏固結在水準器座上(圖4-3)。為了提高氣泡的襯度，在水準器底部墊一白紙或涂以白漆，在兩側襯以黑紙。在地下或夜間使用的儀器，可以涂上夜

4、光材料，外加保護層。如圖4-3大地測量儀器學四、水準器的國家標準 為了儀器制造、使用、維修上的方便，由一機部提出，國家標準計量局發布了水準器的國家標準，代號為GBll4674(代替JB51064)。現列出“基本參數，尺寸及系列”。以供參考。 圓形水準器：結構與基本參數標注見圖4-4。尺寸及系列見表4-1。如圖4-4大地測量儀器學大地測量儀器學 長水準器：結構與基本參數標注見圖4-5。尺寸及系列見表4-2。 水準器玻璃材料為溫度計玻璃，九五燈工料或GG17玻璃。水準器內填充的液體為精餾乙醇、乙醚或兩者混合液。長水準器為了保證一定的氣泡長度，采用補償式和隔室式等多種形式。如圖4-5大地測量儀器學大

5、地測量儀器學五、水準器格(角)值的測定方法 對于換配質量不明的或者經過劇烈震動和溫度劇烈變化的水準器，新出廠但長期存放過的儀器上的水準器，均應測定其格值，均勻性，氣泡符合精度等，以便確定該儀器對某一等級測量工作的適應性。 測定格值的方法很多：如水準器檢驗儀法、腳螺旋法、豎盤直讀法、標尺法以及豎軸傾斜法(康司托克法)。方法不同，但其實質相同，即要設法使待測水準器的氣泡在使用范圍內移動，同時把氣泡移動時水準器傾角的變化量求出，最后把移動的格數除以傾角的變化量，即水準器的格值。大地測量儀器學一、靈敏度 水準器的靈敏度是指當氣泡產生02毫米(01格)位移時，水準器傾角的變化量，也就是說，當水準器傾斜一

6、個很小的角度，氣泡就產生可察覺的位移，這個角度愈小靈敏度就愈高。另外，從(4-1)式可知 ， 也就是說一般格值小(R大)時靈敏度高。靈敏度不僅取決于水準器的格值，同時取決于氣泡的長度，外界溫度，內灌液體的性質，管子的材料及研磨的質量及方法等。下面分析這些影響因素及減少其不良影響的措施。4.2 水準器靈敏度及其影響因素大地測量儀器學二、靈敏度與氣泡長度的關系 氣泡長度是影響靈敏度的重要因素，氣泡在玻璃管內要產生移動，必需克服液體對管壁的附著力，只有當氣泡兩端壓力差值大于其附著力時，氣泡才會產生移動。對于格值相同的水準器，當水準器傾斜角時，氣泡長度較長(L2L1)，氣泡兩端壓力差就較大(可用氣泡兩

7、端高差h2h1近似表示之)，也就愈容易產生移動，即靈敏度愈高。有人曾對一個質量良好的水準器(=16)，用不同的氣泡長度，在相同的外界條件下進行了試驗，得出如下結果：大地測量儀器學氣泡長度（格）4 10 16 20 29氣泡置中中誤差（秒）1.4 0.6 0.4 0.3 0.2從上表看出，氣泡置中誤差(m中)與氣泡長度(L氣)成反比，可用一近似經驗式表示：式中，K為一隨格值變化的系數，當=16時 K6。大地測量儀器學三、氣泡長度與溫度的關系 水準器內灌注的液體為乙醇或乙醚等，都是冰點低而揮發性大的液體，對溫度變化非常敏感，當氣溫升高時，液體氣體均產生膨脹，因液體難于壓縮，氣泡由于它的可縮性與轉化

8、性，體積縮小，長度變短了，因此靈敏度降低了。溫度對氣泡長度影響的大小，取決于管內液體和氣體的比例，液體越多，溫度變化對氣泡長度的影響就愈大。有人對不同格值的水準器進行了實際測定，其結果列于表4-4。水準器格值（秒）5 10 15 20 30溫度變化1時氣泡長度變化量（毫米）1.0 0.8 0.6 0.5 0.4大地測量儀器學 另外，對一格值為16的水準器，當溫度由0+30時，氣泡長度由25格17格，即氣泡縮短了16毫米，置中誤差增大了約50。為了減少溫度變化對氣泡長度的影響，使水準器的置中精度比較穩定，人們創造了不少行之有效的方法：(一)補償式水準器 在水準器內加入一玻璃棒，或一玻璃管，也可用

9、一瓦形玻璃片，其目的在于減少水準器內所灌注的液體。大地測量儀器學(二)斷面為橢圓形的水準器 一般水準器斷面均為圓形，這在工藝上比較簡單，近來有的儀器已采用橢圓斷面的水準器，如蔡司Ni 004精密水準儀。據計算，在截面積相同的情況下，具有寬弧面的橢圓形斷面，液體所占面積比圓形斷面的少。這樣可以減小溫度的影響，而不需要上述那根起補償作用的玻璃棒。此外，這種水準器在同一格值和同一氣泡長度的情況下，比圓形斷面的靈敏度要高，主要原因是它的氣泡大。這種水準器在結構上雖優于圓形斷面水準器，但加工工藝比較復雜，對其置中精度與扁率的關系以及加工精度要求等還在探討之中。大地測量儀器學(三)隔室式水準器 結構如圖4

10、6，將一水準器中間用一玻璃片隔開，在隔片下開一孔，而形成一個可調的氣泡儲存室，“氣室”在水準器工作范圍以外，當氣泡變化時，可將水準器傾斜使氣泡長度得到調節，這種結構在使用時要進行較仔細的調節，過一段時間后又要調，比較麻煩。在一些精密水準儀上，由于當時沒有找到別的更簡便的方法，氣泡長度又要求比較嚴格而采用了此種結構。如圖4-6大地測量儀器學(四)膠合式水準器 上面所討論的水準器，大都是采用玻璃管內壁研磨后，兩頭燒封的，在燒封的過程中，兩端內壁的R發生變化而形成的“無用區段” (一般每端有35毫米長)，在兩端的“無用區段”內都注滿了液體，當氣泡長度(-40+60的平均長度)為水準器總長的三分之一時

11、，水準器內腔液體占93，氣泡僅占7。為縮短這兩端的“無用區段”，現采用一種膠合的所謂“多部件水準器”(圖47)采用這種結構，氣泡所占的體積由7增至18，明顯地減少了溫度變化對氣泡長度的影響。當溫度由-40變化至+60時，普通的全玻璃水準器的氣泡長度(L)由37毫米5毫米，而膠合式水準器則只由24毫米16毫米。大地測量儀器學 這種膠合式水準器兩端的鋼制密封零件同時也就是水準器的安放支架，不再用石膏加以固定，又省下了埋在石膏中兩端那段長度，也就縮小了水準器的尺寸。這種水準器關鍵問題在于尋找牢固耐用的膠合劑，過去所用的環氧樹脂膠經過乙醇和乙醚長時間的泡蝕后，有脫膠現象，現在采用一種新的合成樹脂膠。

12、如果在烈日下作業而不用測傘，結果會使水準器氣泡縮短，靈敏度降低，氣泡還會向熱的一端移動，直接影響所測成果的質量。有的水準器甚至被曬裂。大地測量儀器學一、自動安平原理 最早的自動安平裝置如圖48，望遠鏡1通過帶刀口的吊架2，懸吊在與儀器基座相連結的承板3上。通過調節1與2的相對位置，使1與2連結后的重心位于通過刀口的鉛垂線上。校正十字絲使視軸Z。Z。水平，即與通過刀口的鉛垂線相垂直。若不考慮刀口在承板3處的摩擦力矩，此裝置架在任意地點，視線(Z。Z。)均將是水平的，這已是二百多年前人們的嘗試。由于它的結構簡單，曾有人生產過類似的儀器，如法國索姆廠生產的NC02型水準儀。它的每公里高差的中誤差mh

13、為40毫米。4.3 自動安平補償器的工作原理大地測量儀器學 實際上由于刀口的摩擦力矩，使得Z。Z。不能嚴格水平，加上懸吊著整個望遠鏡，重量大引起刀口的磨損大。望遠鏡調焦就會碰動儀器，使用也不方便，故在使用上未能推廣。但它揭示了視線自動安平的普遍規律，利用重力作用可使視線自動地水平。大地測量儀器學 在水準測量中，我們獲得水平視線的目的，是在前后標尺上截取讀數，然后求出兩點間的高差。如圖49所示，視線Z。O水平時在標尺上截取的讀數為L。(如(a)圖)。當儀器順時針方向傾斜一小角后(即視線傾斜)，此時視線由Z。O變成ZO，在標尺上截取的讀數為L，L-L0=L。 大地測量儀器學 在儀器傾斜的情況下，若

14、十字絲能相對于儀器作反方向擺動，由ZZ。(b)圖，此時Z。O在標尺上截取的仍為視線水平時的讀數L。，這就實現了自動安平的目的，這種“可動十字絲”裝置，都是用吊絲將十字絲板懸吊起來，使其能相對于儀器(望遠鏡筒)作反方向擺動。 另一種情況是十字絲板固定在望遠鏡筒內，當儀器傾斜一小角后，十字絲由Z。Z(c)圖，十字絲在標尺上截取讀數為L，此時若在望遠鏡筒內采用一裝置，使視線水平時的標尺讀數L。，跟隨十字絲一起移動，在儀器傾斜過程中十字絲截取的讀數恒為L。，同樣也實現了自動安平的目的。大地測量儀器學二、補償器的分類 根據補償器所處的位置來進行分類，可分為：物鏡前，物鏡本身，十字絲本身、物鏡與十字絲之間

15、等共四種，而以后者應用最為廣泛。這種分類方法與補償原理聯系緊密，但不能反映補償器的結構與性能。目前有傾向于按補償器關鍵元件靈敏元件(補償器的活動元件)來進行分類，分為；吊絲(包括吊帶)式、簧片(包括簧座)式、滾珠軸承(包括寶石軸承)式，液體式等。其中以吊絲式的精度高而穩定，應用廣泛，目前我國有產品供應的是吊絲式。國外幾家自動安平水準儀產量大的儀器廠(如蔡司廠，奧普通廠、沙漠拉紀廠等)，整個系列產品大都是吊絲式。大地測量儀器學（一）吊絲(包括吊帶扁絲)式補償器 在討論補償器具體結構之前，我們先介紹兩種有代表性的自動安平水準儀，以期了解補償器的位置和要求，進一步理解視線自動安平的原理。 第一種：奧

16、普通廠生產的Ni2型，其精度屬于S1級，由于補償器靈敏而又穩定，自1950年開始成批生產，二十多年來結構基本沒有大的改變，成為目前世界上生產時間最早而且產量最大的一種自動安平水準儀，我國也進口較多，作業人員反映儀器使用力便，精度穩定可靠。 大地測量儀器學儀器結構如圖410(a)，儀器和望遠鏡從外形看，與一般的水準儀沒有什么兩樣，但望遠鏡內部結構比一般的就復雜多了，在調焦鏡與十字絲之間，裝有補償器。結構示于(圖410(b)。起補償作用的直角棱鏡3，通過四根吊絲1(另外兩根與圖上虛線所示的兩根對應，在棱鏡3的另一側)，將它吊起，它在空間可以擺動。水平光線經過這一組棱鏡(共三塊)三次反射后，沿水平方

17、向射向十字絲中心。為了獲得完全的正象，須將其中的任一棱鏡設計為屋脊棱鏡。此儀器的屋脊棱鏡為右側那塊小一些的梯形棱鏡。為了防止光線在棱鏡表面的反射和折射的損失，降低成象質量，要求每塊棱鏡的入射和出射面均與光軸垂直，為此棱鏡組可以設計成各種形式。吊絲采用防磁的不銹鋼絲，每根能承受2000克的拉力，而被四根吊絲懸掛的擺重僅20克，這樣大的保險系數，對于在野外使用的儀器來說是很必要的。由于懸吊部分沒有安全鎖緊裝置，此儀器的高強度吊絲還是有被震斷的，拆開吊絲被震斷的儀器，并未發現其他的零件被震壞和松動，說明這一部分比較脆弱，要注意防震。大地測量儀器學大地測量儀器學 為了使擺動的棱鏡3能迅速地穩定，以便觀

18、測，儀器采用了空氣阻尼器，擺動棱鏡能在l2秒鐘內穩定。即照準目標后隨即就可進行讀數。 整個補償器因靈敏度高，尺寸比較小，零件又比較多，對棱鏡的位置、吊絲長短，阻尼器的間隙等均要求嚴格，所以一般不宜拆動它。若發生故障要處理時，要有一定的裝調設備和工具，不然補償器的“零位誤差”(可以理解為普通水準器水準儀的i角誤差)等會增大。此儀器t角的校正一般只能校正十字絲，而且只有一個校正螺絲，將目鏡前面護罩(圖410之5)旋下，即可見到校正孔內的校正螺絲。整個十字絲板和它的固定套，均被卡在一簧片座上，校正螺絲對應的下部為一簧片。（二）簧片(包括簧座)式補償器 前面所討論的補償器，主要由吊架的幾何尺寸來控制活

19、動邊(補償器)的擺動角，而簧片補償器則靠其彈性恢復力，即靠簧片的變形量來控制補償器的擺動角。因此有人稱前者為“幾何擺”，后者為“物理擺”。 采用這種簧片式補償器最早的，有代表性的自動安平水準儀，是西德埃爾他廠的INA型儀器，望遠鏡光學結構如圖411。大地測量儀器學 目標的光線經物鏡1、調焦鏡2，固定棱鏡3、活動(補償)棱鏡4，而后成象于十字絲板5上，由目鏡6進行觀察。補償棱鏡4是固定在簧片7上的，簧片7固定在與望遠鏡筒連結的承板8上。 當望遠鏡水平時，簧片直立。當望遠鏡傾斜角時，由于重力作用使簧片產生撓曲，使其固定在端部的直角反射棱鏡相對原基準面傾斜了角，雖然儀器傾斜了角，由于補償棱鏡的相對位

20、置改變了角，位于粗實線4，位置，使得水平視線在補償棱鏡位置改變了(2-)角后，仍然通過十字絲中心Z，即水平視線跟隨十字絲一起傾斜，實現了視線自動安平的目的。所要求的角的大小，主要由4Z的距離來確定。大地測量儀器學 這種簧片式補償器的放大系數V，主要由簧片的物理性能和機械尺寸所決定，公式V=/。（三）液體式補償器 由于重力作用，液面恒保持為一水平面的特性，很早就被人們用來自動安平視線，如本世紀初就出現了以水銀池作反射面的“等高儀”。用在水準儀上還是近十多年來的事，用在經緯儀的豎盤指標自動歸零上還稍早幾年。液體補償器有折射式和反射式兩類。（四）軸承式補償器 軸承式補償器的工作原理，就是前面所討論的“單擺”，擺動角度與儀器傾斜角度相等。若在軸承上掛的是一反射鏡，則此擺位于f物2處即可。 1、滾珠軸承式補償器