获奖教案——水准测量

第二章   水准测量

河北广宗职教       李俊卓

一、教学目标：

1、知识目标：

1）、通过老师“教”与学生“学”的互动过程，使同学更进一步理解水准测量的原理；熟悉DS3水准仪的构造。

2）、熟练掌握DS3水准仪的操作使用方法。

2、能力目标:

1）培养学生善于观察、勤于思考的学习习惯。

2）增强学生对建筑工程测量的学习兴趣。

3）培养学生分析、思考及解决问题的能力。

3、德育目标：培养学生严谨求实、一丝不苟的工程测量职业道德，为将来成为一名出色的建筑工程测量人员作准备。

二、重点和难点：熟练掌握DS3水准仪的操作使用方法。

三、教学要求：掌握水准测量的原理；DS3水准仪的构造及使用。

四、教学方法：多媒体课件教学、实物演示教学、学生实际操作。

五、课时安排：第一节、第二节2学时，第三节2学时，合计4学时

六、教学过程：

第一节  水准测量原理

一）、水准测量原理

水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助于带有分划的水准尺，直接测定地面上两点间的高差，然后根据已知点高程和测得的高差，推算出未知点高程。

如图1所示， A、B两点间高差hAB为：

                                    （2-1）                                              

设水准测量是由A向B进行的，则A点为后视点，A点尺上的读数a称为后视读数；B点为前视点，B点尺上的读数b称为前视读数。因此，高差等于后视读数减去前视读数。

二）、计算未知点高程

1．高差法

测得A、B两点间高差hAB后，如果已知A点的高程HA，则B点的高程HB为：

            （2-2）                                      

这种直接利用高差计算未知点B高程的方法，称为高差法。

2．视线高法

如图1所示，B点高程也可以通过水准仪的视线高程Hi来计算，即

       （2-3）                                                  

这种利用仪器视线高程Hi计算未知点B点高程的方法，称为视线高法。在施工测量中，有时安置一次仪器，需测定多个地面点的高程，采用视线高法就比较方便。

第二节  水准测量的仪器和工具

水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。

一）、DS3微倾式水准仪的构造

DS3主要由望远镜、水准器及基座三部分组成。

1．望远镜：望远镜是用来精确瞄准远处目标并对水准尺进行读数的。它主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板组成。

（1）十字丝分划板  是为了瞄准目标和读数用的。

（2）物镜和目镜  物镜和目镜多采用复合透镜组，目标AB经过物镜成像后形成一个倒立而缩小的实像ab，移动对光透镜，可使不同距离的目标均能清晰地成像在十字丝平面上。再通过目镜的作用，便可看清同时放大了的十字丝和目标影象a′b′。

（3）视准轴  十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴CC。视准轴的延长线即为视线，水准测量就是在视准轴水平时，用十字丝的中丝在水准尺上截取读数的。

2．水准器   

（1）管水准器   亦称水准管，用于精确整平仪器。如图3所示，它是一玻璃管，其纵剖面方向的内壁研磨成一定半径的圆弧形，水准管上一般刻有间隔为2mm的分划线，分划线的中点O称为水准管零点，通过零点与圆弧相切的纵向切线LL称为水准管轴。水准管轴平行于视准轴。

水准管上2mm圆弧所对的圆心角τ，称为水准管的分划值，水准管分划愈小，水准管灵敏度愈高，用其整平仪器的精度也愈高。DS3型水准仪的水准管分划值为20″，记作20″/2mm。

为了提高水准管气泡居中的精度，采用符合水准器。  

（2）圆水准器  圆水准器装在水准仪基座上，用于粗略整平。圆水准器顶面的玻璃内表面研磨成球面，球面的正中刻有圆圈，其圆心称为圆水准器的零点。过零点的球面法线L′L′，称为圆水准器轴。圆水准器轴L′L′平行于仪器竖轴VV。

气泡中心偏离零点2mm时竖轴所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值，一般为8′～10′，精度较低。

3．基座

基座的作用是支承仪器的上部，并通过连接螺旋与三脚架连接。它主要由轴座、脚螺旋、底板和三脚压板构成。转动脚螺旋，可使圆水准气泡居中。

二）、水准尺和尺垫

1．水准尺  水准尺是进行水准测量时与水准仪配合使用的标尺。常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。

（1）塔尺 是一种逐节缩小的组合尺，其长度为一般为5m，三节连接在一起，尺的底部为零点，尺面上黑白格相间，每格宽度为1cm，有的为0.5cm，在米和分米处有数字注记。用于一般工程测量。

（2）双面水准尺 尺长为3m，两根尺为一对。尺的双面均有刻划，一面为黑白相间，称为黑面尺（也称主尺）；另一面为红白相间，称为红面尺（也称辅尺）。两面的刻划均为1cm，在分米处注有数字。两根尺的黑面尺尺底均从零开始，而红面尺尺底，一根从4.687m开始，另一根从4.787m开始。在视线高度不变的情况下，同一根水准尺的红面和黑面读数之差应等于常数4.687m或4.787m，这个常数称为尺常数，用K来表示，以此可以检核读数是否正确。用于三、四等水准测量。

2．尺垫

尺垫是由生铁铸成。一般为三角形板座，其下方有三个脚，可以踏入土中。尺垫上方有一突起的半球体，水准尺立于半球顶面。尺垫用于转点处。

第三节  水准仪的使用

微倾式水准仪的基本操作程序为：安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。

一）、安置仪器

（1）在测站上松开三脚架架腿的固定螺旋，按需要的高度调整架腿长度，再拧紧固定螺旋，张开三脚架将架腿踩实，并使三脚架架头大致水平。

（2）从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。

二）、粗略整平

通过调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。具体操作步骤如下。

（1）如图7所示，用两手按箭头所指的相对方向转动脚螺旋1和2，使气泡沿着1、2连线方向由a移至b。

（2）用左手按箭头所指方向转动脚螺旋3，使气泡由b移至中心。

整平时，气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向一致，与右手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向相反。

三）、瞄准水准尺

（1）目镜调焦 松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。

（2）初步瞄准  通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准尺，旋紧制动螺旋。

（3）物镜调焦  转动物镜对光螺旋，使水准尺的成像清晰。

（4）精确瞄准  转动微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央，如图8所示。

（5）消除视差  眼睛在目镜端上下移动，有时可看见十字丝的中丝与水准尺影像之间相对移动，这种现象叫视差。产生视差的原因是水准尺的尺像与十字丝平面不重合，如图9a所示。视差的存在将影响读数的正确性，应予消除。消除视差的方法是仔细

地转动物镜对光螺旋，直至尺像与十字丝平面重合，如图9b所示。

四）、精确整平

精确整平简称精平。眼睛观察符合水准器气泡观察窗内的气泡影像，用右手缓慢地转动微倾螺旋，使气泡两端的影像严密吻合。此时视线即为水平视线。微倾螺旋的转动方向与左侧半气泡影像的移动方向一致，如图10所示。

五）、读数

符合水准器气泡居中后，应立即用十字丝中丝在水准尺上读数。读数时应从小数向大数读，如果从望远镜中看到的水准尺影像是倒像，在尺上应从上到下读取。直接读取米、分米和厘米，并估读出毫米，共四位数。如图8所示，读数是1.336m。读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，应再次精平，重新读数。

七、板书设计：

第二章   水准测量

第一节  水准测量原理

一、水准测量原理

水准测量是利用水准仪提供的水平视线，借助于带有分划的水准尺，直接测定地面上两点间的高差，然后根据已知点高程和测得的高差，推算出未知点高程。

A、B两点间高差hAB为：  

高差等于后视读数减去前视读数。

二、计算未知点高程

1．高差法：                                             

这种直接利用高差计算未知点B高程的方法，称为高差法。

2．视线高法

这种利用仪器视线高程Hi计算未知点B点高程的方法，称为视线高法。适用于安置一次仪器，测定多个地面点的高程。

第二节  水准测量的仪器和工具

水准测量所使用的仪器为水准仪，工具有水准尺和尺垫。

一 、DS3微倾式水准仪的构造

1．望远镜：

（1）十字丝分划板  是为了瞄准目标和读数用的。

（2）物镜和目镜  看清十字丝和目标影象。

（3）视准轴  十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴CC。水准测量就是在视准轴水平时，用十字丝的中丝在水准尺上截取读数的。

2．水准器

（1）管水准器   精确整平仪器。通过零点与圆弧相切的纵向切线LL称为水准管轴。水准管轴平行于视准轴。水准管上2mm圆弧所对的圆心角τ，称为水准管的分划值。水准管分划愈小，水准管灵敏度愈高，用其整平仪器的精度也愈高。DS3型水准仪的水准管分划值为20″/2mm。采用符合水准器提高水准管气泡居中的精度。

（2）圆水准器  粗略整平。过零点的球面法线L′L′，称为圆水准器轴L′L′∥仪器竖轴VV。

气泡中心偏离零点2mm时竖轴所倾斜的角值，称为圆水准器的分划值，一般为8′～10′，精度较低。

3．基座

承上连下，由轴座、脚螺旋、底板和三脚压板构成。转动脚螺旋，可使圆水准气泡居中。

二、水准尺和尺垫

1．水准尺   进行水准测量时与水准仪配合使用的标尺。

（1）塔尺  用于一般工程测量。

（2）双面水准尺 两根尺为一对。两根尺的黑面尺尺底均从零开始，而红面尺尺底，一根从4.687m开始，另一根从4.787m开始。在视线高度不变的情况下，同一根水准尺的红面和黑面读数之差应等于常数4.687m或4.787m，这个常数称为尺常数K，检核读数是否正确。

2．尺垫   水准尺立于半球顶面，尺垫用于转点处。

第三节  水准仪的使用

微倾式水准仪的基本操作程序为：安置仪器、粗略整平、瞄准水准尺、精确整平和读数。

一、安置仪器

（1）安放三脚架：在测站上松开架腿的固定螺旋，按需要的高度调整架腿长度，再拧紧固定螺旋，张开三脚架将架腿踩实，并使三脚架架头大致水平。

（2）安置仪器：从仪器箱中取出水准仪，用连接螺旋将水准仪固定在三脚架架头上。

二、粗略整平

调节脚螺旋使圆水准器气泡居中。气泡移动的方向与左手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向一致，与右手大拇指旋转脚螺旋时的移动方向相反。

三、瞄准水准尺

（1）目镜调焦 松开制动螺旋，将望远镜转向明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝成像清晰。

（2）初步瞄准  通过望远镜筒上方的照门和准星瞄准水准尺，旋紧制动螺旋。

（3）物镜调焦  转动物镜对光螺旋，使水准尺的成像清晰。

（4）精确瞄准  转动微动螺旋，使十字丝的竖丝瞄准水准尺边缘或中央，如图8所示。

（5）消除视差  眼睛在目镜端上下移动，看见十字丝的中丝与水准尺影像之间相对移动，这种现象叫视差。产生视差的原因：是水准尺的尺像与十字丝平面不重合，消除视差的方法：是仔细地转动物镜对光螺旋，直至尺像与十字丝平面重合。

四、精确整平

眼睛观察符合水准器气泡观察窗内的气泡影像，用右手缓慢地转动微倾螺旋，使气泡两端的影像严密吻合。微倾螺旋的转动方向与左侧半气泡影像的移动方向一致。

五、读数

符合水准器气泡居中后，应立即用十字丝中丝在水准尺上读数，读数时应从小数向大数读。直接读取米、分米和厘米，并估读出毫米，共四位数。读数后再检查符合水准器气泡是否居中，若不居中，应再次精平，重新读数。

八、思考：

1．水准仪是根据什么原理来测定两点之间的高差的？

2．何谓视差？发生视差的原因是什么？如何消除视差？

3．水准仪有哪些轴线？它们之间应满足哪些条件？哪个是主要条件？为什么？

5．后视点A的高程为55.318m，读得其水准尺的读数为2.212m，在前视点B尺上读数为2.522m，问高差hAB是多少？B点比A点高，还是比A点低？B点高程是多少？试绘图说明。

工民建专业  河北广宗职教 李俊卓
 

                                               2014年9月

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