自動安平水準儀

水準儀是一種利用水平視線進行工作的光學測繪儀器。它主要用來測定地面上各點間的高差，用於國家各級控制網的水準測量和工程水準測量。

利用水準器來獲得水平視線盼水準儀稱為水準器水準儀。儀器上的水準器軸與望遠鏡視準軸互相平行。因此，當安乎水準器後，儀器的視線也就水平了。

水準器水準儀在水準測量中，對水準標尺的每次讀數均需使水準器的氣泡居中或符合，否則將在測量結果中引入不能容許的誤差，這一操作程序限制了水準測量工效的提高。那麼是否有可能不利用水準器而直接利用重力來安置儀器，使視準軸處於水平位置呢?原則上是可以的。例如，在水準儀的望遠鏡中部設置一旋轉軸，使望遠鏡可以作不大的俯仰運動，並且在望遠鏡筒下部固聯一個重錘；只要保證轉軸中心與懸掛部分重心的聯線與望遠鏡視準軸相垂直，則在重力作用卞，儀器的視準軸將不受豎軸前後傾斜的影響而自動地保持水平。

然而，這樣的方案不能滿意地應用於實際，這是因為：

1)旋轉軸的摩擦妨礙了儀器視線的精確安平，由此產生的誤差遠較一般精度水準測量的誤差為大；

2)儀器的懸掛部分質量很大，在擺動時很難使它靜止下來，因而使觀測工作難以進行；

3)外界因素如風的影響，也使望遠鏡的擺動無法停止。

經過一百多年來的努力，特別是光學與精密機械技術方面的進步，人們終於找到了一個解決問題的辦法，即通過在儀器內部(或外部)設置補償器來自動地把儀器的視線控制於水平位置。這樣的儀器就稱為自動安平水準儀(也稱為補償器水準儀)。1950年，蔡司·奧普通廠第一家制成了可以應用於實際測量作業的自動安平水準儀(型號為Ni-2)。此後，自動安平水準儀的研究生產進展很快，世界上生產光學測繪儀器的光學儀器廠設計製造了幾十種不同型號的自低精度到最高精度的自動安平水準儀。由於自動安平水準儀在測量工作中具有較高的工效，因而得到越來越普遍的應用。 ^[1] 

在自動安平水準儀這種儀器上，精密整平用的長水準器被新的自動安平機構——補償器所代替。儀器在用圓水準器初整平後，即可進行測量。因此，自動安平水準儀的最大特點是儀器安平迅速，工作效率較高。此外，觀測時間的縮短在一定程度上減少了儀器和標尺下沉及外界條件變化對測量成果的影響，有利於提高測量精度。 ^[2] 

自動安平水準儀是藉助位於光路中的補償器在微小傾斜範圍內自動整平望遠鏡視準軸的。其原理參見圖1，當望遠鏡處於水平位置時，由標尺上某點進入望遠鏡的瞄準光速通過分劃板中心F_c，如果望遠鏡對水準軸傾斜一個微小角度a，在分劃板上的點象將高於或低於F₀一個數值，從而在標尺上產生一個讀數差

假如在望遠鏡光路中某個節點K的位置上加上一組控制元件，改變光路方向，使其偏轉一個

角後正好通過分劃板的中心F₀，就可以達到整平視準軸的目的。

顯然，要使瞄準光束偏轉後正好通過點F₀，必須滿足下列關係

式中f是物鏡焦距。比值V通常叫補償器的放大因素或稱補償係數，它與節點K的位置有關。補償器一般設在望遠鏡內部物鏡和分劃板之間，並且為安裝方便和減小補償器的尺寸和重量而靠近象平面，因此V值大於2。 ^[2] 

為了符合自動安平要求，根據補償原理，補償器應由以下三部分組成：

該元件是在望遠鏡傾斜時能使補償元件作相應傾斜或位移作用的元件，它同時又對補償元件起連接或支承作用。靈敏元件決定着補償系統活動部分的靈敏度和工作可靠性，因此要求它的內摩擦力極小和有足夠的機械強度。常用的有吊絲、簧片、扭絲、滾珠軸承等。

該元件是改變光路以使傾斜量得到適當補償的作用元件。用得較多的有物鏡、分劃板、反光鏡、稜鏡等。

為使上述活動部分在儘可能短的時間(通常在1秒之內)內穩定下來，需要採用阻尼系統，最常用的有空氣式阻尼器和電磁式阻尼器兩種。前者利用活塞在缸體中形成的微小氣囊對擺體產生粘滯作用使之達到平穩，後者則利用金屬擺體通過電磁場時切割磁力線產生的渦流作用而使擺體趨於穩定。

上述作用元件中，決定安平機構工作性能和特點的主要是靈敏元件。 ^[2] 

儀器如圖2：

(1)選擇合適高度支好三腳架，將水準儀用中心螺絲與三腳架連接牢固。

(2)用三腳架粗整平儀器與地面安放牢固，旋轉腳螺絲手輪1、2、3，使水泡居中，如圖3

(3)同時旋轉1、2手輪使水泡向右移動。

(4)旋轉3手輪使水泡向上移動。

(5)通過粗瞄準器，瞄準標尺，轉動目鏡，使十字絲分劃板視距絲成像清晰。

(6)旋轉水平微動手輪，使標尺成像在視場中央，旋轉調焦手輪，直到標尺成像清晰。

(7)通過目鏡觀察視場中的成像，將眼睛稍微上下左右移動，確認標尺像相對於十字線不動，沒發生相對位移，即可開始測量，否則重複予以調整。

(8)第(7)點中所述的相對位移，會給測量結果帶來誤差，應仔細做好消除視差工作。

(1)安置儀器於A、B中間。如圖4。

(2)垂直安放標尺於A點，用中絲讀數為a。

(3)垂直安放標尺於B點，用中絲讀數為b。

(4)A、B兩點高差值為

。

(5)當A、B兩點之間距離長或者高差大時，則應分為若干個區間進行測量(如圖5)並記錄於下表。

瞄準標尺，用視距上絲和視距下絲讀出標尺上的讀數，讀數記錄一般均不加小數點，讀記四位數，以毫米為單位。兩讀數之差乘以常數100就得到儀器中心到標尺間的距離。 ^[3] 

自動安平水準儀補償器，按照阻尼方式可分為空氣阻尼補償器和磁阻補償器。其中磁阻尼補償器按照構造不同有可分為台式磁阻尼補償器、交叉式磁阻尼補償器。

空氣阻尼補償器，受環境周邊磁場影響小，但由於裝配工藝複雜多應用於產量不大、精度要求高的自動安平水準儀。

交叉式磁阻尼補償器，裝配工藝簡單、部件精度要求不是很苛刻、成本低廉，但該補償器對於倒置後若經受較強烈震動後，由於吊線彎折變形引起補償功能失效的概率非常高；所以這種補償器目前被廣泛應用於中低檔自動安平水準儀，而很少被應用於高檔儀器當中。

台式磁阻尼補償器，裝配工藝相對複雜、對部件要求比較高、成本比較高，但由於抗震優於其它補償器，多被應用於中、高檔自動安平水準儀。