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大地测量仪器学,第四章 水准器 4.1水准器的结构原理与分类 一、水准器的用途 水准器用来指示仪器的某一轴线处于水平或铅垂位置，如水准仪就借助于它将望远镜视线安平；经纬仪就借助于照准部上的水准器将竖轴安放至铅垂位置等等。 水准器也用来精确地测量微小倾角，如经纬仪横轴倾斜量的测量。 水准器在大型及精密机械设备安装中使用也相当广泛，如精密圆刻线机的安装，大型发电机主轴的安装、矿井大型提升机主轴的安装等等。 二、水准器的结构原理 目前水准器均用玻璃管(或片)将其内壁研磨成一定曲率，里面填充精馏乙醇或乙醚等，在封口前内腔形成一气泡，如图4-1。在水准器中点O对管内圆弧所作的切线LL，称为水准器轴，它与通过O点的铅垂线OO垂直。为了指示气泡的位置，在玻璃管(或片)上均刻有分划线，格宽一般均为2毫米。,大地测量仪器学,水准器的格值：每一格分划(2毫米)所对应的圆弧角为,式中R为圆弧半径，单位为毫米。格值(角值) 也可理解为气泡移动2毫米时，水准器所倾斜的角度值。它与R成反比，从几何尺寸来讲，R值是水准器精度的决定因素，当 时R=412530米，当 时R=0115米。,图4-1,大地测量仪器学,三、水准器的分类 从形状分有管状水准器(亦称长水准器)和圆形水准器。 圆形水准器如图4-2所示，上部玻璃片内表面为一均匀的圆球面，并划有同心分划圈，片下部为一带封嘴的玻璃座，两者用专门的合成胶胶合在一起。从目前使用情况来看，胶合面脱胶的问题未得到彻底解决，各国都在提高胶的牢度上下功夫。我国有的厂家为了解决脱胶问题，将上玻璃片与玻璃座进行熔接，脱胶问题得到彻底解决，但在烧熔过程中玻璃片内表面的R易变形，而且不能在短时间内稳定下来。废品率也比胶合的高。,圆水准器的格值，是指气泡由圆水准器分划中心向任意方向移动2毫米时，水准器所倾斜的角度。格值有8、15、30、60等。 长水准器(图4-1)和圆水准器(图4-2)，一般均采用烧制过的石膏固结在水准器座上(图4-3)。为了提高气泡的衬度，在水准器底部垫一白纸或涂以白漆，在两侧衬以黑纸。在地下或夜间使用的仪器，可以涂上夜光材料，外加保护层。,如图4-2,如图4-3,大地测量仪器学,四、水准器的国家标准 为了仪器制造、使用、维修上的方便，由一机部提出，国家标准计量局发布了水准器的国家标准，代号为GBll4674(代替JB51064)。现列出“基本参数，尺寸及系列”。以供参考。 圆形水准器：结构与基本参数标注见图4-4。尺寸及系列见表4-1。,如图4-4,大地测量仪器学,长水准器：结构与基本参数标注见图4-5。尺寸及系列见表4-2。 水准器玻璃材料为温度计玻璃，九五灯工料或GG17玻璃。水准器内填充的液体为精馏乙醇、乙醚或两者混合液。长水准器为了保证一定的气泡长度，采用补偿式和隔室式等多种形式。,如图4-5,大地测量仪器学,大地测量仪器学,五、水准器格(角)值的测定方法 对于换配质量不明的或者经过剧烈震动和温度剧烈变化的水准器，新出厂但长期存放过的仪器上的水准器，均应测定其格值，均匀性，气泡符合精度等，以便确定该仪器对某一等级测量工作的适应性。 测定格值的方法很多：如水准器检验仪法、脚螺旋法、竖盘直读法、标尺法以及竖轴倾斜法(康司托克法)。方法不同，但其实质相同，即要设法使待测水准器的气泡在使用范围内移动，同时把气泡移动时水准器倾角的变化量求出，最后把移动的格数除以倾角的变化量，即水准器的格值。 4.2 水准器灵敏度及其影响因素 一、灵敏度 水准器的灵敏度是指当气泡产生02毫米(01格)位移时，水准器倾角的变化量，也就是说，当水准器倾斜一个很小的角度，气泡就产生可察觉的位移，这个角度愈小灵敏度就愈高。另外，从(4-1)式可知 ， 也就是说一般格值小(R大)时灵敏度高。灵敏度不仅取决于水准器的格值，同时取决于气泡的长度，外界温度，内灌液体的性质，管子的材料及研磨的质量及方法等。下面分析这些影响因素及减少其不良影响的措施。,大地测量仪器学,二、灵敏度与气泡长度的关系 气泡长度是影响灵敏度的重要因素，气泡在玻璃管内要产生移动，必需克服液体对管壁的附着力，只有当气泡两端压力差值大于其附着力时，气泡才会产生移动。对于格值相同的水准器，当水准器倾斜角时，气泡长度较长(L2L1)，气泡两端压力差就较大(可用气泡两端高差h2h1近似表示之)，也就愈容易产生移动，即灵敏度愈高。有人曾对一个质量良好的水准器(=16)，用不同的气泡长度，在相同的外界条件下进行了试验，得出如下结果：,从上表看出，气泡置中误差(m中)与气泡长度(L气)成反比，可用一近似经验式表示：,式中，K为一随格值变化的系数，当=16时 K6。,大地测量仪器学,三、气泡长度与温度的关系 水准器内灌注的液体为乙醇或乙醚等，都是冰点低而挥发性大的液体，对温度变化非常敏感，当气温升高时，液体气体均产生膨胀，因液体难于压缩，气泡由于它的可缩性与转化性，体积缩小，长度变短了，因此灵敏度降低了。温度对气泡长度影响的大小，取决于管内液体和气体的比例，液体越多，温度变化对气泡长度的影响就愈大。有人对不同格值的水准器进行了实际测定，其结果列于表4-4。,另外，对一格值为16的水准器，当温度由0+30时，气泡长度由25格17格，即气泡缩短了16毫米，置中误差增大了约50。为了减少温度变化对气泡长度的影响，使水准器的置中精度比较稳定，人们创造了不少行之有效的方法：,大地测量仪器学,(一)补偿式水准器 在水准器内加入一玻璃棒，或一玻璃管，也可用一瓦形玻璃片，其目的在于减少水准器内所灌注的液体。 (二)断面为椭圆形的水准器 一般水准器断面均为圆形，这在工艺上比较简单，近来有的仪器已采用椭圆断面的水准器，如蔡司Ni 004精密水准仪。据计算，在截面积相同的情况下，具有宽弧面的椭圆形断面，液体所占面积比圆形断面的少。这样可以减小温度的影响，而不需要上述那根起补偿作用的玻璃棒。此外，这种水准器在同一格值和同一气泡长度的情况下，比圆形断面的灵敏度要高，主要原因是它的气泡大。这种水准器在结构上虽优于圆形断面水准器，但加工工艺比较复杂，对其置中精度与扁率的关系以及加工精度要求等还在探讨之中。,(三)隔室式水准器 结构如图46，将一水准器中间用一玻璃片隔开，在隔片下开一孔，而形成一个可调的气泡储存室，“气室”在水准器工作范围以外，当气泡变化时，可将水准器倾斜使气泡长度得到调节，这种结构在使用时要进行较仔细的调节，过一段时间后又要调，比较麻烦。在一些精密水准仪上，由于当时没有找到别的更简便的方法，气泡长度又要求比较严格而采用了此种结构。,如图4-6,大地测量仪器学,(四)胶合式水准器 上面所讨论的水准器，大都是采用玻璃管内壁研磨后，两头烧封的，在烧封的过程中，两端内壁的R发生变化而形成的“无用区段” (一般每端有35毫米长)，在两端的“无用区段”内都注满了液体，当气泡长度(-40+60的平均长度)为水准器总长的三分之一时，水准器内腔液体占93，气泡仅占7。为缩短这两端的“无用区段”，现采用一种胶合的所谓“多部件水准器”(图47)采用这种结构，气泡所占的体积由7增至18，明显地减少了温度变化对气泡长度的影响。当温度由-40变化至+60时，普通的全玻璃水准器的气泡长度(L)由37毫米5毫米，而胶合式水准器则只由24毫米16毫米。 这种胶合式水准器两端的钢制密封零件同时也就是水准器的安放支架，不再用石膏加以固定，又省下了埋在石膏中两端那段长度，也就缩小了水准器的尺寸。这种水准器关键问题在于寻找牢固耐用的胶合剂，过去所用的环氧树脂胶经过乙醇和乙醚长时间的泡蚀后，有脱胶现象，现在采用一种新的合成树脂胶。 除在结构上改进外，在野外作业的过程中，也要尽可能缩小温度变化的不良影响，规范中作了相应规定。如果在烈日下作业而不用测伞，结果会使水准器气泡缩短，灵敏度降低，气泡还会向热的一端移动，直接影响所测成果的质量。有的水准器甚至被晒裂。,大地测量仪器学,4.3 自动安平补偿器的工作原理 一、自动安平原理 最早的视线(Z。Z。)自动安平装置如图48，望远镜1通过带刀口的吊架2，悬吊在与仪器基座相连结的承板3上。通过调节1与2的相对位置，使1与2连结后的重心位于通过刀口的铅垂线上。校正十字丝使视轴Z。Z。水平，即与通过刀口的铅垂线相垂直。若不考虑刀口在承板3处的摩擦力矩，此装置架在任意地点，视线(Z。Z。)均将是水平的，这已是二百多年前人们的尝试。由于它的结构简单，曾有人生产过类似的仪器，如法国索姆厂生产的NC02型水准仪。它的每公里高差的中误差mh为40毫米。我国目前在小面积土地平整中应用的“土水平仪”上，亦有类似的结构。,大地测量仪器学,实际上由于刀口的摩擦力矩，使得Z。Z。不能严格水平，加上悬吊着整个望远镜，重量大引起刀口的磨损大。望远镜调焦就会碰动仪器，使用也不方便，故在使用上未能推广。但它揭示了视线自动安平的普遍规律，利用重力作用可使视线自动地水平。 在水准测量中，我们获得水平视线的目的，是在前后标尺上截取读数，然后求出两点间的高差。如图49所示，视线Z。O水平时在标尺上截取的读数为L。(如(a)图)。当仪器顺时针方向倾斜一小角后(即视线倾斜)，此时视线由Z。O变成ZO，在标尺上截取的读数为L，L-L0=L。,在仪器倾斜的情况下，若十字丝能相对于仪器作反方向摆动，由ZZ。(b)图，此时Z。O在标尺上截取的仍为视线水平时的读数L。，这就实现了自动安平的目的，这种“可动十字丝”装置，都是用吊丝将十字丝板悬吊起来，使其能相对于仪器(望远镜筒)作反方向摆动。 另一种情况是十字丝板固定在望远镜筒内，当仪器倾斜一小角后，十字丝由Z。Z(c)图，十字丝在标尺上截取读数为L，此时若在望远镜筒内采用一装置，使视线水平时的标尺读数L。，跟随十字丝一起移动，在仪器倾斜过程中十字丝截取的读数恒为L。，同样也实现了自动安平的目的。,大地测量仪器学,根据上述两种实现自动安平的途径，人们已生产出多种补偿器，据不完全统计，目前已有十多个国家的三十多家工厂，提供近六十种不同型号的自动安平水准仪。自动安平水准仪的型号很多，但从补偿器的结构形式来看，不少是大同小异的，下面将介绍用得比较广泛而又有代表性的结构。 二、补偿器的分类 根据补偿器所处的位置来进行分类，可分为：物镜前，物镜本身，十字丝本身、物镜与十字丝之间等共四种，而以后者应用最为广泛。这种分类方法与补偿原理联系紧密，但不能反映补偿器的结构与性能。目前有倾向于按补偿器关键元件灵敏元件(补偿器的活动元件)来进行分类，分为；吊丝(包括吊带)式、簧片(包括簧座)式、滚珠轴承(包括宝石轴承)式，液体式等。其中以吊丝式的精度高而稳定，应用广泛，目前我国有产品供应的是吊丝式。国外几家自动安平水准仪产量大的仪器厂(如蔡司厂，奥普通厂、沙漠拉纪厂等)，整个系列产品大都是吊丝式。这些厂家出的自动会平水准仪我国进口比较多，因此我们下面就重点讨论这种补偿器。,大地测量仪器学,（一）吊丝(包括吊带扁丝)式补偿器 在讨论补偿器具体结构之前，我们先介绍两种有代表性的自动安平水准仪，以期了解补偿器的位置和要求，进一步理解视线自动安平的原理。 第一种：奥普通厂生产的Ni2型，其精度属于S1级，由于补偿器灵敏而又稳定，自1950年开始成批生产，二十多年来结构基本没有大的改变，成为目前世界上生产时间最早而且产量最大的一种自动安平水准仪，我国也进口较多，作业人员反映仪器使用力便，精度稳定可靠。 仪器结构如图410(a)，仪器和望远镜从外形看，与一般的水准仪没有什么两样，但望远镜内部结构比一般的就复杂多了，在调焦镜与十字丝之间，装有补偿器。结构示于(图410(b)。起补偿作用的直角棱镜3，通过四根吊丝1(另外两根与图上虚线所示的两根对应，在棱镜3的另一侧)，将它吊起，它在空间可以摆动。水平光线经过这一组棱镜(共三块)三次反射后，沿水平方向射向十字丝中心。为了获得完全的正象，须将其中的任一棱镜设计为屋脊棱镜。此仪器的屋脊棱镜为右侧那块小一些的梯形棱镜。为了防止光线在棱镜表面的反射和折射的损失，降低成象质量，要求每块棱镜的入射和出射面均与光轴垂直，为此棱镜组可以设计成各种形式。吊丝采用防磁的不锈钢丝，每根能承受2000克的拉力，而被四根吊丝悬挂的摆重仅20克，这样大的保险系数，对于在野外使用的仪器来说是很必要的。由于悬吊部分没有安全锁紧装置，此仪器的高强度吊丝还是有被震断的，拆开吊丝被震断的仪器，并未发现其他的零件被震坏和松动，说明这一部分比较脆弱，要注意防震。,大地测量仪器学,大地测量仪器学,为了使摆动的棱镜3能迅速地稳定，以便观测，仪器采用了空气阻尼器，摆动棱镜能在l2秒钟内稳定。即照准目标后随即就可进行读数。 整个补偿器因灵敏度高，尺寸比较小，零件又比较多，对棱镜的位置、吊丝长短，阻尼器的间隙等均要求严格，所以一般不宜拆动它。若发生故障要处理时，要有一定的装调设备和工具，不然补偿器的“零位误差”(可以理解为普通水准器水准仪的i角误差)等会增大。此仪器t角的校正一般只能校正十字丝，而且只有一个校正螺丝，将目镜前面护罩(图410之5)旋下，即可见到校正孔内的校正螺丝。整个十字丝板和它的固定套，均被卡在一簧片座上，校正螺丝对应的下部为一簧片。 （二）簧片(包括簧座)式补偿器 前面所讨论的补偿器，主要由吊架的几何尺寸来控制活动边(补偿器)的摆动角，而簧片补偿器则靠其弹性恢复力，即靠簧片的变形量来控制补偿器的摆动角。因此有人称前者为“几何摆”，后者为“物理摆”。 采用这种簧片式补偿器最早的，有代表性的自动安平水准仪，是西德埃尔他厂的INA型仪器，望远镜光学结构如图411。,大地测量仪器学,目标的光线经物镜1、调焦镜2，固定棱镜3、活动(补偿)棱镜4，而后成象于十字丝板5上，由目镜6进行观察。补偿棱镜4是固定在簧片7上的，簧片7固定在与望远镜筒连结的承板8上。 当望远镜水平时，簧片直立。当望远镜倾斜角时，由于重力作用使簧片产生挠曲，使其固定在端部的直角反射棱镜相对原基准面倾斜了角，虽然仪器倾斜了角，由于补偿棱镜的相对位置改变了角，位于粗实线4，位置，使得水平视线在补偿棱镜位置改变了(2-)角后，仍然通过十字丝中心Z，即水平视线跟随十字丝一起倾斜，实现了视线自动安平的目的。所要求的角的大小，主要由4Z的距离来确定。,大地测量仪器学,这种簧片式补偿器的放大系数V，主要由簧片的物理性能和机械尺寸所决定，公式V=/。 （三）液体式补偿器 由于重力作用，液面恒保持为一水平面的特性，很早就被人们用来自动安平视线，如本世纪初就出现了以水银池作反射面的“等高仪”。用在水准仪上还是近十多年来的事，用在经纬仪的竖盘指标自动归零上还稍早几年。液体补偿器有折射式和反射式两类。 （四）轴承式补偿器 轴承式补偿器的工作原理，就是前面所讨论的“单摆”，摆动角度与仪器倾斜角度相等。若在轴承上挂的是一反射镜，则此摆位于f物2处即可。 1、滚