精密光學水準儀i 角室內檢校裝置

陳科宇 陳子揚 王 健 付開隆 楊 爽 于 飛

（東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

水準儀望遠鏡鏡十字絲通過上下兩側的V 形槽固定，而下方V 形槽鏈接彈簧，一旦內外環境發生變化，彈簧就可能發生變形。[1]此時視線與水平面并不平行，夾角即為誤差角i，測距如果超過一定距離，那么讀數誤差此時不可忽略。所以如果能夠測出這一誤差角i，那便可通過V 形槽出的螺絲進行校準，提高測量精度。

目前水準儀器消除i 角通常有兩種常用方法：平行光管法或者現場調試。平行光管法運用了物鏡聚焦灌輸于焦面的原理。平行光管由光源和透鏡組成，光源發出的光照亮目標板并且位于焦面處時，目標板的像便位于無窮遠處，此時光束便成了平行光束。如果使用經緯儀代替平行光管便可使用平行光管法來測量起始方向線。平行光管法測量精度高，數據精確。管狀水準儀和自動水準儀亦可通過平行光管法校準。但是平行光管法儀器復雜，成本較高。與現場調試校正比較，現場調試校正是在施工現場,為了想檢測出水準儀的i 角,通常會將水準儀儀器安放在兩支水準標尺中點處, 水準儀和兩標尺之間測距在30～40m 之間,前后測距大致相等即可。[2]此時可以通過水準儀讀取兩水準標尺的讀數,這樣就可以得到兩點的高差值。之后還要將水準儀搬移到兩支水準標尺的一側或外側均可, 這時的水準儀距離近處的水準標尺只有幾米遠, 而距離遠的水準標尺已經是幾十米遠的距離。同樣,需要用水準儀讀出此時兩支水準標尺的讀數,得到此時的高差值。若兩次的高差值相等,則說明水準儀的i 角為零；高差值不相等,就說明存在著i 角的誤差。此時校正水準儀的i 角的方法就是調節螺絲釘的位置, 同時反復對比高差值,使i 角減小到允許范圍內。此方法雖說也能保證精度,但耗費人力,使用上也不是十分方便。而精密光學水準儀i 角室內檢校裝置，操作過程簡單，無需專業知識也可以完成，安裝簡便靈活，極具市場發展前景。

1 精密光學水準儀i 角室內檢校裝置詳述

1.1 玻璃管

內徑：粗管（d=40mm）的化學用冷凝管兩支。

作用：水箱中的液體通過硬管、軟管注入冷凝管，讀取兩支冷凝管內液面高度讀數，得到檢校水準儀i 角的基礎數據。

1.2 刻度尺

取兩個熒光刻度尺，套于木棱一端外側，另一端則削成半徑7.5 毫米圓柱，再將其與支架連接。玻璃管通過帶有螺絲旋鈕的環扣固定到刻度尺的適宜處，此時便可進行水準儀的讀數。

1.3 支架

選用相機架兩個、輸液袋升降器一個，分別用來架設兩玻璃管及輸液袋，兩個相機架架分別與連接玻璃管及尺的木棱固定。

優點：通過相機架升降即可控制玻璃管的液面升降。

1.4 裝置中液體的選擇

摻有藍色墨水的清水。

1.5 掛式輸液袋

容積為2L 的掛式輸液袋一個，連接總導管。

1.6 塑料硬管

內徑為12mm 的塑料硬管三段，長度分別為：1m、1m、5m；三通連接口一個；塑料水閥一個。

第一段（1m）一端與輸液袋孔相連，一端與塑料三通相連；

第二段（1m）一端與冷凝管相連，一端與塑料三通相連；

第三段（5m）一端與另一冷凝管相連，一端與塑料三通相連；

作用：塑料硬管可將輸液袋中的藍色清水輸入到兩支冷凝管中。

圖1 精密光學水準儀i 角室內檢校裝置布置圖

2 裝置的使用方法

在具有一定空間的室內架設支架，固定好輸液袋及冷凝管后，將塑料硬管通過三通及軟管連接起來，并控制兩只冷凝管支架間距大于7m，其中一個支架與水準儀間距大于1m，如圖1所示安裝裝置。向輸液袋中注入滴有藍色墨水的清水，通過控制支架升降輸液袋，控制冷凝管中液面的高度。關閉水閥，直至液面穩定后，測量距水準儀近的冷凝管觀察記錄液面刻度；繼續觀察距離水準儀較遠的那支冷凝管，根據連通器的原理，兩處玻璃管液面高度應該相同。但由于i 角造成的誤差，兩刻度讀數存在差值；最后，測量出水準儀與較遠冷凝管之間的距離L。計算得到的i 角通過調節v 形槽處的螺絲來減小。不斷重復上述操作測量i 角，緊接著繼續調試，直至十字絲與兩個液面完全重合。上述裝置可達到使i 角減小到8 秒的精度要求。[3]

3 實驗原理及計算方法

3.1 連通器原理

精密光學水準儀i 角室內檢校裝置可根據連通器原理使得兩支冷凝管中液面保持相平，運用簡單的連通器原理即可完成實驗。

3.2 三角形反算角的原理

圖2 求解水準儀i 角的原理圖

如圖所示，將水準儀安置在C 點，與B 點距離1m 左右，與A 點相距L 遠處，兩支架分別安裝于A、B 點，測得B 點玻璃管中的液面在刻度尺上的讀數a2，由于儀器與B 點相距近，忽略兩軸之間不平行產生的誤差。此時在A 處讀數a1應滿足：a1+h1=a2+h2，若存在誤差角i，A 處讀數為便可得i=arctan（△h/L）[3]。

4 精密光學水準儀i 角室內檢校裝置在特殊環境下的適應性

精密光學水準儀i 角室內檢校裝置具有較強的環境適應性，在光線不好、可視度較低的環境中依舊可以很好使用，出于以下兩點:

4.1 本裝置采用的是熒光刻度尺，而不是普通的塑料尺或鋼尺，所以本裝置在光線不好、可視度較低的環境中仍具有很好的適應性。

4.2 本裝置所采用的液體為滴有藍色墨水的清水，可更加清晰地讀取讀數。

5 技術可行性及經濟、環保效益分析

5.1 技術可行性

精密光學水準儀i 角室內檢校裝置簡單易做，對技術性要求就不高；設計理念通俗易懂，即采用簡單的連通器原理和三角形反算原理加上成本很低的設備原件，使得整個裝置使用簡單靈活，可單人操作，安裝簡便，并且移動性強。在目前市場條件下，該裝置可以較大范圍的推廣使用。

5.2 經濟可行性及環保性

精密光學水準儀i 角室內檢校裝置取材于日常生活，方便易獲取，并且價格便宜、來源廣泛，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購買得到。此外本檢校裝置采用的液體為滴有藍色墨水的清水，都是日常生活中常見到的物品，而且檢校完畢后也不會對環境造成污染，這也秉行了節約環保的生活理念。

6 結論

精密光學水準儀i 角室內檢校裝置通過壓強原理、三角形幾何關系反算及其它測量學基本原理，從而進行待測水準儀i角校驗的實驗與計算處理過程。本裝置在使用上，操作簡單、使用靈活，可大規模推廣使用，無需專業性知識很高的人員，單人即可完成整個i 角檢校過程，一定程度上節約了人力、財力以及物力。此外，本裝置所需設備原件源于生活中常見且易獲得物品，實驗裝置可循環使用，裝置所需液體來源于最常見的水和墨水的組合，實驗完成后容易處理且不會對生態環境產生任何危害。同樣，能夠很好地滿足精度上的需求也是很重要的。當然，目前仍存在冷凝管易碎、不易保存攜帶的問題，如何能夠更加優化此問題也是今后需要進一步研究的方面。