DS3型水準儀及其操作
水準儀是水準測量的主要儀器，按水準儀的精度可分為DS05，DS1，DS3及DS10等幾種等級（型號）。“D”和“S”表示中文“大地”和“水準儀”中“大”字和“水”字的漢語拼音的第壹個字母，通常在書寫時可省略字母“D”，下標“05”，“1”，“3”及“10”等數字表示該類儀器的精度，見表2-1。S3型水準儀稱為普通水準儀，用於國家三、四等水準及普通水準測量，S05型和S1型水準儀稱為精密水準儀，用於國家壹、二等精密水準測量。本節主要介紹S3型水準儀及其使用。
表2-1 常用水準儀系列及精度
壹、DS3型水準儀的構造
圖2-3為DS3型微傾式水準儀，它主要由望遠鏡、水準器和基座三部分組成。
儀器的上部有望遠鏡、水準管、水準管氣泡觀察窗、圓水準器、目鏡及物鏡對光螺旋、水平制動螺旋、水平微動螺旋和微傾螺旋等，通過中心螺旋把儀器豎軸與儀器基座相連。望遠鏡和水準管連成壹個整體，轉動微傾螺旋可以調節水準管連同望遠鏡壹起相對於支架作上下微小轉動，使水準管氣泡居中，從而使望遠鏡視線精確水平，由於用微傾螺旋使望遠鏡上、下傾斜有壹定限度，必須先調整腳螺旋使圓水準器氣泡居中，粗略定平儀器。
整個儀器的上部可以繞儀器豎軸在水平面旋轉，水平制動螺旋和水平微動螺旋用於控制望遠鏡在水平面轉動，松開制動螺旋，望遠鏡可在水平面任意轉動，只有當擰緊制動螺旋後，微動螺旋才能使望遠鏡在水平面上作微小轉動，以精確瞄準目標。
圖2-3 DS3型微傾式水準儀
1.基座
基座的作用是支撐儀器的上部，並通過連接螺旋使儀器與三腳架相連。它包括軸套、腳螺旋、三角形底板等，儀器豎軸插入軸套內。
2.望遠鏡
望遠鏡是用來精確瞄準遠處目標和提供水平視線進行讀數的設備，如圖2-4（a）所示。它主要由物鏡、目鏡、調焦透鏡及十字絲分劃板等組成。圖2-4（b）是從目鏡中看到的經過放大後的十字絲分劃板像。十字絲分劃板是用來準確瞄準目標用的，中間壹根長橫絲稱為中絲，與之垂直的壹根絲稱為豎絲，與中絲平行的上下兩根短橫絲稱為上、下絲（又稱視距絲）。在水準測量時，用中絲在水準尺上進行後、前視讀數，用以計算高差，用上、下絲在水準尺上讀數，用以計算水準儀至水準尺的距離（視距）。
圖2-4 測量望遠鏡
物鏡和目鏡采用多塊透鏡組合而成，調焦透鏡由單塊透鏡或多塊透鏡組合而成。望遠鏡成像原理如圖2-5所示，望遠鏡所瞄準的目標AB經過物鏡的作用形成壹個倒立而縮小的實像ab，調節物鏡對光螺旋即可帶動調焦透鏡在望遠鏡筒內前後移動，從而將不同距離的目標都能清晰地成像在十字絲平面上。調節目鏡對光螺旋可使十字絲像清晰，再通過目鏡，便可看到同時放大了的十字絲和倒置的目標影像，在望遠鏡中再加壹組透鏡，可得到放大了的正像。近幾年生產的測量儀器大部分都是正像的。
圖2-5 望遠鏡成像原理
通過物鏡光心與十字絲交點的連線CC稱為望遠鏡視準軸，視準軸的延長線即為視線，它是瞄準目標的依據。
從望遠鏡內所看到目標影像的視角與觀測者直接用眼睛觀察該目標的視角之比稱為望遠鏡的放大率（放大倍數）。如圖2-5所示，從望遠鏡內所看到的遠處物體AB的影像a′b′的視角為β，肉眼直接觀測原目標AB的視角可近似地認為是α，故放大率V=β/α。S3型水準儀望遠鏡放大率壹般不小於28倍。
如果望遠鏡沒有調好焦，可能使目標形成的實像ab與十字絲分劃板平面不完全重合，此時當觀測者眼睛在目鏡端略作上、下少量移動時，就會發現目標的實像與十字絲平面之間有相對移動，這種現象稱為視差。測量作業中不允許存在視差，因為它不利於精確地瞄準目標與讀數，因此在觀測中必須消除視差。消除視差的方法：首先應按操作程序依次調焦，先進行目鏡調焦，使十字絲十分清晰；再瞄準目標進行物鏡調焦，使目標十分清晰，當觀測者眼睛在目鏡端作上下少量移動時，發現目標與十字絲平面之間沒有相對移動，則表示視差不存在；否則應重新進行物鏡調焦，直至無相對移動為止。在檢查視差是否存在時，觀測者眼睛應處於松弛狀態，不能緊張，且眼睛在目鏡端上下移動量不宜大，僅作很少量移動，否則會引起錯覺而誤認為視差存在。
3.水準器
水準器是水準儀上的重要部件，它是利用液體受重力作用後使氣泡居於最高處的特性，指示水準器的水準軸位於水平或豎直位置的壹種裝置，從而使水準儀獲得壹條水平視線。水準器分圓水準器和長水準管兩種。
（1）長水準管
長水準管是由玻璃管制成，又簡稱“水準管”，其縱向內壁研磨成具有壹定半徑的圓弧（圓弧半徑壹般為80～200m），內裝酒精和乙醚的混合液，加熱密封冷卻後管內形成壹個被液體蒸汽充塞的空間，這個空間稱為水準氣泡，因氣泡較輕，故處於管內最高處。
水準管圓弧中點O稱為水準管零點，通過零點O的圓弧切線LL稱為水準管軸，如圖2-6（a）所示。水準管表面刻有2mm間隔的分劃線，並與零點O相對稱。當氣泡的中點與水準管的零點重合時，稱為氣泡居中，表示水準管軸水平。若保持視準軸與水準管軸平行，則當氣泡居中時，視準軸就處於水平位置。通常根據水準氣泡兩端距水準管兩端刻劃的格數相等的方法來判斷水準氣泡是否精確居中，如圖2-6（b）所示。
圖2-6 水準管
水準管上兩相鄰分劃線間的圓弧（弧長為2mm）所對的圓心角，稱為水準管分劃值τ。用公式表示為
建築工程測量
式中：ρ″=206265″；
R——水準管圓弧半徑，單位：mm。
上式說明分劃值τ與水準管圓弧半徑R成反比。R愈大，τ愈小，水準管靈敏度愈高，則定平儀器的精度也愈高，反之定平精度就低。S3型水準儀水準管的分劃值壹般為20″，表明氣泡移動壹格（2mm），水準管軸傾斜20″。
為了提高水準管氣泡居中精度，S3型水準儀的水準管上方安裝有壹組符合棱鏡，如圖2-7所示。通過符合棱鏡的反射作用，把水準管氣泡兩端的影像反射在望遠鏡旁的水準管氣泡觀察窗內，當氣泡兩端的兩個半像符合成壹個圓弧時，就表示水準管氣泡居中，如圖2-7（a）所示；若兩個半像錯開，則表示水準管氣泡不居中，如圖2-7（b）所示，此時可轉動位於目鏡右下方的微傾螺旋，使氣泡兩端的半像嚴密吻合（即居中），達到儀器的精確置平。這種配有符合棱鏡的水準器，稱為符合水準器。它不僅便於觀察，同時可以使氣泡居中精度提高壹倍。
圖2-7 水準管與符合棱鏡
圖2-8 圓水準器
（2）圓水準器
用於初步整平儀器的圓水準器，如圖2-8所示。圓水準器頂面的內壁磨成圓球面，頂面中央刻有壹個小圓圈，其圓心O稱為圓水準器的零點，過零點O的法線L′L′稱為圓水準軸。由於它與儀器的旋轉軸（豎軸）平行，所以當圓氣泡居中時，圓水準軸處於豎直（鉛垂）位置，表示水準儀的豎軸也處於豎直位置了。S3水準儀圓水準器分劃值壹般為8′～10′，由於分劃值較大，則靈敏度較低，只能用於水準儀的粗略整平，為儀器精確置平創造條件。
二、水準尺、尺墊和三腳架
水準尺是水準測量時使用的標尺，其質量的好壞直接影響水準測量的精度，因此水準尺是用不易變形且幹燥的優良木材、玻璃鋼或鋁合金制成，要求尺長穩定，刻劃準確，長度從2m至5m不等。根據它們的構造，常用的水準尺可分為直尺（整體尺）和塔尺兩種，如圖2-9所示。直尺中又分單面分劃尺和雙面（紅黑面）分劃尺。
圖2-9 水準尺
水準尺尺面每隔1cm塗有黑白或紅白相間的分格，每分米處註有數字，其註記有的是正寫有的是倒寫的，可根據望遠鏡成像是正像還是倒像來選用。
雙面水準尺的兩面均有刻劃，壹面為黑白分劃，稱為“黑面尺”（也稱主尺），另壹面為紅白分劃，稱為“紅面尺”。通常用兩根尺組成壹對進行水準測量，兩根尺的黑面尺尺底均從零開始，而紅面尺尺底，壹根從固定數值4.687m開始，另壹根從固定數值4.787m開始，此數值稱為紅黑面零點差（或紅黑面常數差）。
塔尺是由三節或四節小尺套接而成，不用時套在最下壹節之內，長度為2m左右。如把全部小尺拉出可達5m。塔尺攜帶方便，但應註意塔尺的連接，務使套接準確穩固。塔尺壹般用於地形起伏較大，精度要求較低的水準測量。
圖2-10 尺墊
尺墊壹般用生鐵鑄成，為三角狀，如圖2-10所示。下面有三個尖腳，便於使用時將尺墊踩入土中，使之穩固。上面有壹個突起的半球體，水準尺豎立於球頂最高點。在精度要求較高的水準測量中，轉點處應放置尺墊，以防止觀測過程中水準尺下沈或位置發生變化而影響精度。
三腳架是水準儀的附件，用於安置水準儀，由木質（或金屬）制成，腳架壹般可伸縮，便於攜帶及調整儀器高度，使用時用中心連接螺旋與水準儀器基座固緊。
三、水準儀的操作
水準儀的操作包括安置儀器、粗略整平、瞄準水準尺、精確置平和讀數等步驟。
1.安置儀器
在測站打開三腳架，按觀測者的身高調節三腳架腿的高度，為便於整平儀器，應使三腳架的架頭大致水平，並將三腳架的三個腳尖踩實，使腳架穩定。然後將水準儀平穩地安放在三腳架架頭上，壹手握住儀器，壹手立即將三腳架連接螺旋旋入儀器基座的中心螺孔內，適度旋緊，防止儀器從架頭上摔下來。
2.粗略整平（粗平）
粗平即初步地整平儀器，通過調節三個腳螺旋使圓水準器氣泡居中，從而使儀器的豎軸大致鉛垂。具體作法是：如圖2-11（a）所示，外圍三個圓圈為腳螺旋，中間為圓水準器，虛線圓圈代表氣泡所在位置，首先用雙手按箭頭所指方向轉動腳螺旋1，2，使圓氣泡移到這兩個腳螺旋連線方向的中間，然後再按圖2-11（b）中箭頭所指方向，用左手轉動腳螺旋3，使圓氣泡居中（即位於黑圓圈中央）。在整平的過程中，氣泡移動的方向與左手大拇指轉動腳螺旋時的移動方向壹致。
圖2-11 圓水準器整平
3.瞄準水準尺
首先將望遠鏡對著明亮的背景（如天空或白色明亮物體），轉動目鏡對光螺旋，使望遠鏡內的十字絲像十分清晰（此後瞄準目標時壹般不需要再調節目鏡對光螺旋）。然後松開制動螺旋，轉動望遠鏡，用望遠鏡筒上方的缺口和準星瞄準水準尺，大致進行物鏡對光，能在望遠鏡內看到水準尺像，此時擰緊制動螺旋，轉動水平微動螺旋，使十字絲的豎絲對準水準尺或靠近水準尺的壹側，如圖2-12所示，可檢查水準尺在左右方向是否傾斜。再轉動物鏡對光螺旋進行仔細對光，使水準尺的分劃像十分清晰，並註意消除視差。
圖2-12 瞄準水準尺與讀數
圖2-13 水準氣泡的符合
4.精確置平（精平）
轉動位於目鏡下方的微傾螺旋，從氣泡觀察窗內看到符合水準氣泡嚴密吻合（居中），如圖2-13所示。
由於粗略整平不很完善（因圓水準器靈敏度較低），故當瞄準某壹目標精平後，儀器轉到另壹目標時，符合水準氣泡將會有微小的偏離（不吻合）。因此在進行水準測量中，務必記住每次瞄準水準尺進行讀數時，都應先轉動微傾螺旋，使符合水準氣泡嚴密吻合後，才能在水準尺上讀數。
5.讀數
儀器精平後，應立即用十字絲的中絲在水準尺上讀數。根據望遠鏡成像原理，觀測者從望遠鏡裏看到的水準尺影像是倒立的（大多數儀器如此），為了便於讀數，壹般將水準尺上的註字倒寫，這樣在望遠鏡裏看到的就是正的。讀數時應從上往下讀，即從小數向大數讀。觀測者應先估讀水準尺上毫米數（小於壹格的估值），然後讀出米、分米及厘米值，整個讀數為4位數。如圖2-12中水準尺的中絲讀數為1.259m，其中末位9是估讀的毫米數，讀記為1259，單位為mm。讀數應迅速、果斷、準確，讀數後應立即重新檢視符合水準氣泡是否仍居中，如仍居中，則讀數有效，否則應重新使符合水準氣泡居中後再讀數。