建筑結(jié)構(gòu)儀器水準(zhǔn)測(cè)量原理與儀器操作

水準(zhǔn)測(cè)量又名“幾何水準(zhǔn)測(cè)量”，是用水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)尺測(cè)定地面上兩點(diǎn)間高差的方法。在地面兩點(diǎn)間安置水準(zhǔn)儀，觀測(cè)豎立在兩點(diǎn)上的水準(zhǔn)標(biāo)尺，按尺上讀數(shù)推算兩點(diǎn)間的高差。通常由水準(zhǔn)原點(diǎn)或任一已知高程點(diǎn)出發(fā)，沿選定的水準(zhǔn)路線逐站測(cè)定各點(diǎn)的高程。

由于不同高程的水準(zhǔn)面不平行，沿不同路線測(cè)得的兩點(diǎn)間高差將有差異，所以在整理國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量成果時(shí)，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(zhǔn)測(cè)量是利用一條水平視線，并借助水準(zhǔn)尺，來(lái)測(cè)定地面兩點(diǎn)間的高差，這樣就可由已知點(diǎn)的高程推算出未知點(diǎn)的高程。

結(jié)構(gòu)

根據(jù)水準(zhǔn)測(cè)量的原理，水準(zhǔn)儀的主要作用是提供一條水平視線，并能照準(zhǔn)水準(zhǔn)尺進(jìn)行讀數(shù)。因此，水準(zhǔn)儀構(gòu)成主要有望遠(yuǎn)鏡、水準(zhǔn)器及基座三部分。

A——后視點(diǎn) a——后視讀數(shù)

B——前視點(diǎn) b——前視讀數(shù)

1、A、B兩點(diǎn)間高差

2、B點(diǎn)的高程

3、視線高程

4、轉(zhuǎn)點(diǎn)TP(turning point)的概念

若A、B 兩點(diǎn)間布設(shè)一些過(guò)渡點(diǎn)（轉(zhuǎn)點(diǎn)）1、2、3…，將其分為n段，則用水準(zhǔn)儀分別測(cè)得各段高差為h1， h2… hn，則有：

二、水準(zhǔn)測(cè)量的儀器與工具

（一）水準(zhǔn)儀(level)組成

1、望遠(yuǎn)鏡(telescope)

■物鏡

■目鏡

■十字絲（上、中、下絲）

三個(gè)部分組成。

物鏡和目鏡多采用復(fù)合透鏡組，十字絲劃板上刻有兩條互相垂直的長(zhǎng)線，豎直的一條稱(chēng)豎絲，橫的一條稱(chēng)為中絲，是為了瞄準(zhǔn)目標(biāo)和讀取讀數(shù)用的。在豎絲的上下還對(duì)稱(chēng)地刻有兩條與中絲平行的短橫線，是用來(lái)測(cè)定距離的，稱(chēng)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(yuǎn)鏡筒上。

十字絲交點(diǎn)與物鏡光心的連線，稱(chēng)為視準(zhǔn)軸或視線。水準(zhǔn)測(cè)量是在視準(zhǔn)軸水平時(shí)，用十字絲的中絲截取水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)。

對(duì)光凹透鏡可使不同距離的目標(biāo)均能成像在十字絲平面上。再通過(guò)目鏡，便可看清同時(shí)放大了的十字絲和目標(biāo)影像。從望遠(yuǎn)鏡內(nèi)所看到的目標(biāo)影像的視角與肉眼直接觀察該目標(biāo)的視角之比，稱(chēng)為望遠(yuǎn)鏡的放大率。DS3級(jí)水準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡的放大率一般為28倍。

2、水準(zhǔn)器(bubble)

■圓水準(zhǔn)器(circular bubble) ：用于整平。

■水準(zhǔn)管(bubble tube) ： 用于精平。

特性：氣泡始終向高處移動(dòng)。

水準(zhǔn)器是用來(lái)指示視準(zhǔn)軸是否水平或儀器豎軸是否豎直的裝置。有管水準(zhǔn)器和圓水準(zhǔn)器兩種。管水準(zhǔn)器用來(lái)指示視準(zhǔn)軸是否水平；圓水準(zhǔn)器用來(lái)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(gòu)成。

（二）水準(zhǔn)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?dāng)?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(gè)尖角以便踩入土中，使其穩(wěn)定。

使用時(shí)，將尺墊踏實(shí)，水準(zhǔn)尺立于突起的半球頂部。當(dāng)水準(zhǔn)尺轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，尺底的高程不會(huì)改變。

三、水準(zhǔn)儀的使用

操作程序：粗平—瞄準(zhǔn)—精平—讀數(shù)

（一）粗平

安置水準(zhǔn)儀打開(kāi)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(kāi)儀器箱取出水準(zhǔn)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(zhǔn)器的氣泡居中，使儀器豎軸大致鉛垂，從而視準(zhǔn)軸粗略水平。在整平的過(guò)程中，氣泡的移動(dòng)方向與左手大拇指運(yùn)動(dòng)的方向—致。調(diào)節(jié)腳螺旋，使圓水準(zhǔn)氣泡居中。

1．方法：

對(duì)向轉(zhuǎn)動(dòng)腳螺旋1、2——使氣泡移至1、2方向中間——轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)方向與左手大拇指運(yùn)動(dòng)的方向一致。

（二） 瞄準(zhǔn)

首先進(jìn)行目鏡對(duì)光，即把望遠(yuǎn)鏡對(duì)著明亮的背景，轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡對(duì)光螺旋，使十字絲清晰。再松開(kāi)制動(dòng)螺旋，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，用望遠(yuǎn)鏡筒上的照門(mén)和準(zhǔn)星瞄準(zhǔn)水準(zhǔn)尺，擰緊制動(dòng)螺旋。然后從望遠(yuǎn)鏡中觀察；轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡對(duì)光螺旋進(jìn)行對(duì)光，使目標(biāo)清晰，再轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)螺旋，使豎絲對(duì)準(zhǔn)水準(zhǔn)尺。

當(dāng)眼睛在目鏡端上下微微移動(dòng)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)十字絲與目標(biāo)影像有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為視差。產(chǎn)生視差的原因是目標(biāo)成像的平面和十字絲平面不重合。由于視差的存在會(huì)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(xì)地進(jìn)行物鏡對(duì)光，直到眼睛上下移動(dòng)，讀數(shù)不變?yōu)橹?。此時(shí)，從目鏡端見(jiàn)到十字絲與目標(biāo)的像都十分清晰。

1．方法：先用準(zhǔn)星器粗瞄，再用微動(dòng)螺旋精瞄。

2．視差：

概念：眼睛在目鏡端上下移動(dòng)時(shí)，十字絲與目標(biāo)像有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

產(chǎn)生原因：目標(biāo)像平面與十字絲平面不重合。

消除方法：反復(fù)交替調(diào)節(jié)目鏡和物鏡對(duì)光螺旋。

（三）精平

1、方法：如圖所示，調(diào)節(jié)微傾螺旋，使水準(zhǔn)管氣泡成像拋物線符合。

2、說(shuō)明：自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀（compensator level），不需進(jìn)行精平。

（四）讀數(shù)

精平后，用十字絲的中絲在水準(zhǔn)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(zhǔn)儀讀數(shù)實(shí)例