# 实验仪器

## 1、虚拟实验模块

虚拟实验模块重点设计实现了三、四等水准测量实验的观测读数环节。当使用虚拟三、四等水准测量实验时，应按照虚拟实验的指导方法进行模拟测量，即安置水准仪，粗平，瞄准，精平，读数等，学生每进行一步系统都会对学生的操作进行判断，让学生可以清楚的知道每个环节应该如何进行，并同时让学生通过读数记录实验报告单；老师则可以通过虚拟三、四等水准测量系统对学生的实验报告单进行审查，了解学生的学习状况并对学生进行指导(主程序为虚拟测量.html，运行前必须安装3d插件，在VRML工具文件夹里水准测量.zip）。

（图1：虚拟实验模块）

本模块特点为：

①具有三维场景，操作简便；
②符合测量原理，具有一定真实性；
③实现人机互动，能实现复杂的模拟测量过程；
④能在互联网平台中运行。

其基本操作过程如下：

(1)打开网页，点击选择网页中的水准仪、水准尺模型，再点击网页中的圆圈站点模型，即可将水准仪、水准尺摆放到相应位置；
(2)摆放好仪器和水准尺后，先选择确认前视水准尺，即确定观测方向，其中头上为红点的是1号水准尺，黑点的是2号水准尺，1号水准尺红面起始读数为4787,2号水准尺红面起始读数为4687；
(3)确认完前视水准尺后，在观测顺序栏目点击选择观测顺序，点击选项后会弹出相应的读数数据照片；
(4)根据照片读出相应的读数，并填写在读数文本框中，点击确定即可判断读数是否正确。

## 2、水准仪（实体实验部分）

图2为S3型微倾式水准仪的外形及各部件的名称，D、S分别为“大地测量”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，数字表示该类仪器的精度，即每公里往返测高差中数的偶然中误差，在书写时可省略字母“D”。S3级水准仪称为普通水准仪，常用于国家三、四等水准测量及一般工程水准测量。S3型微倾式水准仪主要由望远镜、水准器和基座三大部分构成：

（图2：S3型水准仪）

1）望远镜：

仪器上的望远镜主要用于照准目标和读数，由物镜、目镜、调焦透镜、十字丝分划板、物镜调焦螺旋和目镜调焦螺旋组成，如图3所示。物镜和目镜一般采用复合透镜组，调焦透镜位于物镜和目镜之间，且为凹透镜。

（图3：望远镜的组成）

当目标所发光线经过物镜及调焦透镜的折射后，将在十字丝平面上呈一倒立的实像，然后再由目镜放大呈倒立的虚像或正立的虚像（目镜中采用了转像装置），该虚像对观测者眼睛的视角与原目标视角之比称为望远镜的放大倍率，对于测量型望远镜而言，其放大倍率一般均在20倍以上。

望远镜的对光是通过物镜调焦螺旋改变调焦透镜在望远镜镜筒内的位置来实现的，在十字丝分划板上竖直的一条长线称为竖丝，与之垂直的长线称为横丝或中丝，它是用来在水准尺上读数的，在中丝的上下还对称地刻有两条与竖丝垂直的短横线，称为视距丝，它是用来测定距离的。

当目标成像不在十字丝平面内时，观测者的眼睛做上下（或左右）移动时，就会发现目标像与十字丝之间有相对移动，称这种现象为“视差”，清除视差的方法为：首先对目镜进行调焦，使十字丝十分清晰，然后转动物镜调焦螺旋，使目标成像达到十分清晰，此时再上下（或左右）移动眼睛，如果目标像与十字丝之间无相对运动，则视差已清除，否则应重新进行目镜、物镜调焦，直至目标像与十字丝无相对运动为止。

2）水准器：

水准器是一种整平仪器的装置，可分为管水准器、圆水准器及符合水准器3种。管水准器用来指示视准轴（物镜光心与十字丝交点的连线）是否水平，圆水准器用来指示仪器竖轴是否竖直。

①圆水准器是由金属圆柱形的盒子与玻璃盖构成。玻璃盖的内表面是圆球面，其半径一般为0.5-2mm，盒内装有乙醇或乙醚，玻璃盖的中央有一个小圆圈，其圆心即是圆水准器的零点。连接零点与球面球心的直线称为圆水准轴。当圆水准器气泡的中心与水准器的零点重合时，则圆水准轴处于竖直状态。圆水准器在构造上保持圆水准轴与其外壳下表面垂直，因此，当圆水准轴竖直时，则外壳下表面处于水平位置，如图4所示。

（图4：圆水准器）

由于圆水准器内表面的圆弧半径较小，以圆水准器来确定水平（或垂直）位置的精度较低。因此在实际应用中，一般仅将圆水准器用作概略整平。精度要求较高的整平工作，则用管水准器或符合水准器来进行。

②管水准器由玻璃管构成，其纵剖面的内表面为一定半径（一般为8-100mm）的圆弧，如图5(a)所示。与圆水准器一样，管内装有乙醇或乙醚，在注满后加热，使液体膨胀而排出一部分，然后再将玻璃管开口的一端封闭，待液体冷却后，管内即形成一个水准气泡。

（图5：管水准器）

在水准管的表面刻有2mm间隔的分划线，如图5(b)所示，且其分划线以水准管的圆弧中心点O为对称，O点亦称为水准管的零点。过零点与圆弧纵向相切的切线LL′称为水准管轴。当气泡的中心与水准管的零点重合时，称为气泡居中。

管水准器上一小格（2mm的圆弧）所对的圆心角称为水准管的分划值。水准管圆弧半径越大，分划值越小，则水准管灵敏度就越高，也就是仪器置平精度越高。然而，水准器的灵敏度越高，气泡越不易稳定，使气泡居中所用的时间越长。所以，水准器的灵敏度应同仪器其他部件及工作要求相适应。

③为了提高水准管气泡的居中精度，可采用符合水准器。符合水准器是在水准器上方装一组棱镜，并借助棱镜组的折光原理，将水准气泡两端的影像传递到望远镜目镜旁边的小窗口，可使观测者不必移动位置，即可在该小窗口内看到水准管气泡两端的两个半影像，如图6所示。如果两个半影像呈现图中1的影像称为气泡符合，即为气泡居中；如果呈现图中2的影像，则说明气泡不居中，可旋转微倾螺旋，使其呈现图中1的影像。

（图6：符合水准器）

## 3、水准尺（实体实验部分）

水准尺是水准测量的主要工具，在水准测量作业时与水准仪配合使用，缺一不可。水准尺是利用伸缩性小、不易弯曲、质轻且坚硬的木材制成。用于三、四等水准测量的水准尺一般为区格式双面（黑红面）直尺，称为双面水准尺，如图7所示（倒像水准尺为例）。为了使水准尺能够竖直，一般均在水准尺上装有圆水准器，当圆水准器的气泡居中时，则表示水准尺已处于铅垂位置。

（图7：双面水准尺）

双面水准尺有两个显著的特点：①尺面基本分划为1cm。黑白相间的一面为黑面尺，红白相间的一面为红面尺；并在每分米处用倒写的数字加以标记，以便观测时呈现正像数字。②必须成对使用。为了避免在观测读数时产生印象错误和各站的计算检核，每对双面尺的黑面底部起点读数均为零，而红面底部起点读数则分别为4687mm和4787mm。切不可将两根4687或两根4787的水准尺配对使用。