建筑結(jié)構(gòu)儀器水準(zhǔn)測量原理與儀器操作

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

由于不同高程的水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)測量是利用一條水平視線，并借助水準(zhǔn)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(jié)構(gòu)

根據(jù)水準(zhǔn)測量的原理，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)尺進行讀數(shù)。因此，水準(zhǔn)儀構(gòu)成主要有望遠鏡、水準(zhǔn)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(zhuǎn)點TP(turning point)的概念

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

二、水準(zhǔn)測量的儀器與工具

（一）水準(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)目標(biāo)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(zhǔn)軸或視線。水準(zhǔn)測量是在視準(zhǔn)軸水平時，用十字絲的中絲截取水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)。

對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。再通過目鏡，便可看清同時放大了的十字絲和目標(biāo)影像。從望遠鏡內(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，稱為望遠鏡的放大率。DS3級水準(zhǔn)儀望遠鏡的放大率一般為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。

水準(zhǔn)器是用來指示視準(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)器用來指示視準(zhǔn)軸是否水平；圓水準(zhǔn)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(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，下面有三個尖角以便踩入土中，使其穩(wěn)定。

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

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(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。在整平的過程中，氣泡的移動方向與左手大拇指運動的方向—致。調(diào)節(jié)腳螺旋，使圓水準(zhǔn)氣泡居中。

1．方法：

對向轉(zhuǎn)動腳螺旋1、2——使氣泡移至1、2方向中間——轉(zhuǎn)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(zhǔn)

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

當(dāng)眼睛在目鏡端上下微微移動時，若發(fā)現(xiàn)十字絲與目標(biāo)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(biāo)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)橹埂４藭r，從目鏡端見到十字絲與目標(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(biāo)像有相對運動。

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、說明：自動安平水準(zhǔn)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(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)實例