精密光学水准仪i 角室内检校装置

陈科宇 陈子扬 王 健 付开隆 杨 爽 于 飞

（东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

水准仪望远镜镜十字丝通过上下两侧的V 形槽固定，而下方V 形槽链接弹簧，一旦内外环境发生变化，弹簧就可能发生变形。[1]此时视线与水平面并不平行，夹角即为误差角i，测距如果超过一定距离，那么读数误差此时不可忽略。所以如果能够测出这一误差角i，那便可通过V 形槽出的螺丝进行校准，提高测量精度。

目前水准仪器消除i 角通常有两种常用方法：平行光管法或者现场调试。平行光管法运用了物镜聚焦灌输于焦面的原理。平行光管由光源和透镜组成，光源发出的光照亮目标板并且位于焦面处时，目标板的像便位于无穷远处，此时光束便成了平行光束。如果使用经纬仪代替平行光管便可使用平行光管法来测量起始方向线。平行光管法测量精度高，数据精确。管状水准仪和自动水准仪亦可通过平行光管法校准。但是平行光管法仪器复杂，成本较高。与现场调试校正比较，现场调试校正是在施工现场,为了想检测出水准仪的i 角,通常会将水准仪仪器安放在两支水准标尺中点处, 水准仪和两标尺之间测距在30～40m 之间,前后测距大致相等即可。[2]此时可以通过水准仪读取两水准标尺的读数,这样就可以得到两点的高差值。之后还要将水准仪搬移到两支水准标尺的一侧或外侧均可, 这时的水准仪距离近处的水准标尺只有几米远, 而距离远的水准标尺已经是几十米远的距离。同样,需要用水准仪读出此时两支水准标尺的读数,得到此时的高差值。若两次的高差值相等,则说明水准仪的i 角为零；高差值不相等,就说明存在着i 角的误差。此时校正水准仪的i 角的方法就是调节螺丝钉的位置, 同时反复对比高差值,使i 角减小到允许范围内。此方法虽说也能保证精度,但耗费人力,使用上也不是十分方便。而精密光学水准仪i 角室内检校装置，操作过程简单，无需专业知识也可以完成，安装简便灵活，极具市场发展前景。

1 精密光学水准仪i 角室内检校装置详述

1.1 玻璃管

内径：粗管（d=40mm）的化学用冷凝管两支。

作用：水箱中的液体通过硬管、软管注入冷凝管，读取两支冷凝管内液面高度读数，得到检校水准仪i 角的基础数据。

1.2 刻度尺

取两个荧光刻度尺，套于木棱一端外侧，另一端则削成半径7.5 毫米圆柱，再将其与支架连接。玻璃管通过带有螺丝旋钮的环扣固定到刻度尺的适宜处，此时便可进行水准仪的读数。

1.3 支架

选用相机架两个、输液袋升降器一个，分别用来架设两玻璃管及输液袋，两个相机架架分别与连接玻璃管及尺的木棱固定。

优点：通过相机架升降即可控制玻璃管的液面升降。

1.4 装置中液体的选择

掺有蓝色墨水的清水。

1.5 挂式输液袋

容积为2L 的挂式输液袋一个，连接总导管。

1.6 塑料硬管

内径为12mm 的塑料硬管三段，长度分别为：1m、1m、5m；三通连接口一个；塑料水阀一个。

第一段（1m）一端与输液袋孔相连，一端与塑料三通相连；

第二段（1m）一端与冷凝管相连，一端与塑料三通相连；

第三段（5m）一端与另一冷凝管相连，一端与塑料三通相连；

作用：塑料硬管可将输液袋中的蓝色清水输入到两支冷凝管中。

图1 精密光学水准仪i 角室内检校装置布置图

2 装置的使用方法

在具有一定空间的室内架设支架，固定好输液袋及冷凝管后，将塑料硬管通过三通及软管连接起来，并控制两只冷凝管支架间距大于7m，其中一个支架与水准仪间距大于1m，如图1所示安装装置。向输液袋中注入滴有蓝色墨水的清水，通过控制支架升降输液袋，控制冷凝管中液面的高度。关闭水阀，直至液面稳定后，测量距水准仪近的冷凝管观察记录液面刻度；继续观察距离水准仪较远的那支冷凝管，根据连通器的原理，两处玻璃管液面高度应该相同。但由于i 角造成的误差，两刻度读数存在差值；最后，测量出水准仪与较远冷凝管之间的距离L。计算得到的i 角通过调节v 形槽处的螺丝来减小。不断重复上述操作测量i 角，紧接着继续调试，直至十字丝与两个液面完全重合。上述装置可达到使i 角减小到8 秒的精度要求。[3]

3 实验原理及计算方法

3.1 连通器原理

精密光学水准仪i 角室内检校装置可根据连通器原理使得两支冷凝管中液面保持相平，运用简单的连通器原理即可完成实验。

3.2 三角形反算角的原理

图2 求解水准仪i 角的原理图

如图所示，将水准仪安置在C 点，与B 点距离1m 左右，与A 点相距L 远处，两支架分别安装于A、B 点，测得B 点玻璃管中的液面在刻度尺上的读数a2，由于仪器与B 点相距近，忽略两轴之间不平行产生的误差。此时在A 处读数a1应满足：a1+h1=a2+h2，若存在误差角i，A 处读数为便可得i=arctan（△h/L）[3]。

4 精密光学水准仪i 角室内检校装置在特殊环境下的适应性

精密光学水准仪i 角室内检校装置具有较强的环境适应性，在光线不好、可视度较低的环境中依旧可以很好使用，出于以下两点:

4.1 本装置采用的是荧光刻度尺，而不是普通的塑料尺或钢尺，所以本装置在光线不好、可视度较低的环境中仍具有很好的适应性。

4.2 本装置所采用的液体为滴有蓝色墨水的清水，可更加清晰地读取读数。

5 技术可行性及经济、环保效益分析

5.1 技术可行性

精密光学水准仪i 角室内检校装置简单易做，对技术性要求就不高；设计理念通俗易懂，即采用简单的连通器原理和三角形反算原理加上成本很低的设备原件，使得整个装置使用简单灵活，可单人操作，安装简便，并且移动性强。在目前市场条件下，该装置可以较大范围的推广使用。

5.2 经济可行性及环保性

精密光学水准仪i 角室内检校装置取材于日常生活，方便易获取，并且价格便宜、来源广泛，例如：塑料水箱、塑料硬管、塑料三通、冷凝管等都可在日用五金店购买得到。此外本检校装置采用的液体为滴有蓝色墨水的清水，都是日常生活中常见到的物品，而且检校完毕后也不会对环境造成污染，这也秉行了节约环保的生活理念。

6 结论

精密光学水准仪i 角室内检校装置通过压强原理、三角形几何关系反算及其它测量学基本原理，从而进行待测水准仪i角校验的实验与计算处理过程。本装置在使用上，操作简单、使用灵活，可大规模推广使用，无需专业性知识很高的人员，单人即可完成整个i 角检校过程，一定程度上节约了人力、财力以及物力。此外，本装置所需设备原件源于生活中常见且易获得物品，实验装置可循环使用，装置所需液体来源于最常见的水和墨水的组合，实验完成后容易处理且不会对生态环境产生任何危害。同样，能够很好地满足精度上的需求也是很重要的。当然，目前仍存在冷凝管易碎、不易保存携带的问题，如何能够更加优化此问题也是今后需要进一步研究的方面。