水准仪是建立水平视线测定地面两点间高差的仪器。原理为根据水准测量原理测量地面点间高差。主要部件有望远镜、管水准器（或补偿器）、垂直轴、基座、脚螺旋。按结构分为微倾水准仪、自动安平水准仪、激光水准仪和数字水准仪（又称电子水准仪）。按精度分为精密水准仪和普通水准仪。
仪器原理
自动安平
借助于自动安平补偿器获得水平视线的一种水准仪。它的特点主要是当望远镜视线有微量倾斜时，补偿器在重力作用下对望远镜作相对移动,从而能自动而迅速地获得视线水平时的标尺读数。补偿的基本原理是：当望远镜视线水平时，与物镜主点同高的水准标尺上物点P构成的像点Z0应落在十字丝交点Z上。当望远镜对水平线倾斜一小角α后，十字丝交点Z向上移动，但像点Z0仍在原处，这样即产生一读数差Z0Z。当很小时可以认为Z0Z 的间距为α×f′（f′为物镜焦距），这时可在光路中K点装一补偿器，使光线产生屈折角β，在满足α×f′=β×S0（S0为补偿器至十字丝中心的距离，即KZ）的条件下，像Z0就落在Z点上；或使十字丝自动对仪器作反方向摆动，十字丝交点Z落在Z0点上。
如光路中不采用光线屈折而采用平移时，只要平移量等于Z0Z，则十字丝交点Z落在像点Z0上，也同样能达到Z0和Z重合的目的。自动安平补偿器按结构可分为活动物镜、活动十字丝和悬挂棱镜等多种。补偿装置都有一个“摆”，当望远镜视线略有倾斜时，补偿元件将产生摆动，为使“摆”的摆动能尽快地得到稳定，必须装一空气阻尼器或磁力阻尼器。这种仪器较微倾水准仪工效高、精度稳定，尤其在多风和气温变化大的地区作业更为显著。
分类
自动安平
借助自动安平补偿器获得水平视线。当望远镜视线有微量倾斜时，
自动安平水准仪
补偿器在重力作用下对望远镜作相对移动，从而迅速获得视线水平时的标尺读数。这种仪器较微倾水准仪工效高、精度稳定。
自动安平水准仪
高精密自动安平水准仪是采用内置式的测微平板结构，采用齿轮直接啮合的测微结构，完全消除了传统测微平板结构中存在的行差，读数由显示屏上直接显示，消除了测微尺读数存在的读数误差，仪器采用全密封设计，能有效地防尘防水，密封等级可达IP55；放大倍率和物镜口径更大，观测目标更清晰；补偿器的固定采用获得国家专利的新技术，提高了仪器的可靠性和稳定性。仪器外观平衡协调，安置稳定，水准器精度更高，居中性能更好。
高精密水准仪
水准仪是当前唯一能做到批量生产的国产高精密级水准仪，必将以其稳定可靠的性能、高等级的测量精度、独特新颖的外形结构引领新一代国产高端水准仪的潮流。高精密自动安平水准仪是内置测微平板的高精密自动安平水准仪，仪器利用自动补偿技术和内置编码器和数字电路处理的测微系统，并由显示屏直接显示测微读数，直读0.01mm,可靠，最重要的一点是，水准仪1km往返水准测量标准偏差达到0.3mm的水平，在国内所有品种水准仪中是最高的。经测试，1km往返差完全达到国家标准高精密级水准仪的要求。
应用领域
水准仪是一款真正的高精密级光学水准仪，其各项技术指标都满足国标《水准仪GB 101562009》
中高端系列仪器的要求。
可以应用于国家一等水准测量及地震水准测量，建筑工程测量，变形及沉降监测，矿山测量，
大型机器安装，工具加工测量和精密工程测量等。
●水准网测量 / ●变形监测、地面沉降的监测 / ●工业测量 / ●隧道和矿山测量 / ●地形测量 水准线路测量、
区域水准测量、水准 网测量、等高线测量 / ●道路和铁路施工放样纵断面测量、横断面测量、高程放样
误差分析
数字水准仪是由光学机械部分和电子设备组成,其误差除由以上两项单独所产生的而外,还包括二者组合产生的误差。其中光学机械部分产生的误差已被大家所熟知。主要包括a、圆水准器误差;b、调焦透镜运行误差;c、竖轴倾斜引起的视准轴误差;d、自动补偿器的补偿误差。以下主要讨论电子设备和二者组合所产生的误差[1] 。
1线阵探测器(CCD)的物理特性引起的误差
1.1光线的强弱引起条码标尺影像对比度的误差影响
数字水准仪是根据条码影像在探测器上的位置和比例进行测量的,CCD的物理特性决定其在光线过强或过弱、条码标尺表面光照不均匀、观测瞬间强光闪烁、外界热闪烁等情况下,都会大大降低标尺成像的对比度,也会造成局部失真,这将造成测量误差,甚至无法读数。[1]
1.2人工光线的影响
徕卡NA系列数字水准仪的探测器是利用红外光部分(CCD阵列对红外光最敏感)接收和检测条码影像的。因此,在人工光线下进行测量时,如红外光成份较弱时,会造成测量误差,甚至无法读数。而在这方面,蔡司DINI系列数字水准仪是采用可见光接收和检测条码影像,所以不受此影响。[1]
2信号分析和处理的误差
2.1信号分析方法的误差
徕卡NA系列数字水准仪采用相关法进行测量,根据经验,仪器内存储的参考信号(伪随机码)与测量信号(伪随机码)的相关(对齐)精度约为码元宽度(或码的波长)的1%。条码标尺的码元宽度为2.025mm,因此相关精度约为0.02mm。[1]
2.2最大相关系数计算的误差
数字水准仪相关时,在精度相关搜索区域内,测量信号与参考信号带全八位数被相关,因为两信号的振幅不同,最大相关系数是在高度和距离坐标系内逐点计算:最大相关位置的精度取决于格网的尺寸,相关的内插计算,忽略丢失条码造成的影响。[1]
2.3测量信号处理(图像处理)的误差
数字水准仪的测量信号处理是获得高精度水准测量的关键环节,条码影像在CCD阵列上的成象的质量以及处理技术的优劣,在很大程度上决定着测量的精度。引起图像误差的主要误差影响包括:(1)因CCD阵列的物理特性引起的误差;(2)标尺被遮挡引起条码信息丢失的误差;(3)调焦的准确引起的图像的分辨力误差;(4)标尺倾斜引起的图像变形误差;(5)外界条件变化引起的影像误差;(6)测量信号形成时电子设备的误差等。[1]
获得稳定、清晰、对比适中、完整的条码影像是测量信号生成和处理的前提,是测量的关键。一般来说,图像的处理是由水准仪内置的软件完成的。其误差依赖于软件的算法和技术的先进性。[1]
3电视准轴(i角)的误差
电视准轴(i角)的误差对水准测量的影响理论上与光学水准仪i角误差相同,但电视准轴(i角)在数字水准仪中又缺少象光学视准轴(i角)那样的标定水平视线的性质。然而电视准轴(i角)对水准测量的精度的影响是肯定的,而且它随外界条件的变化而变化。尽管可以用前后视距等长加以减弱,数字水准仪也可由机内设置的程序自动改正,然而外条件随时在变化,随时测定i角而加以改正不仅影响作业效率,而且改正数也不是可以线性模拟的。[1]
4外界条件变化引起的误差
数字水准仪与条码标尺组成的测量系统是处在时刻变化的外界条件下工作的。外界条件的变化将引起仪器各部件产生误差。这种影响常常表现为各部件及其组合的综合影响,外界因素影响产生的误差主要有:(1)视准轴(i角)变化的影响;(2)大气垂直折光的影响;(3)仪器和标尺垂直位移的影响;(4)地面震动的影响;(5)地面电磁场的影响等。[1]
5数字水准仪所克服的常规水准仪的误差
(1)没有读数错误,没有人为读数误差;(2)多条码(可认为是多分划)测量,削弱标尺分划误差;(3)自动多次测量,削弱外界条件变化的影响;(4)实现内外业一体化,实现自动记录、检核、处理和存储。[1]
以上仅能从概念上对数字水准仪误差加以论述,由于数字水准仪的许多技术是保密的,目前尚难给予量的估算,只能通过大量的实验数据加以分析。[1]
使用方法
水准仪的使用包括：水准仪的安置、粗平、瞄准、精平、读数五个步骤。
1. 安置 安置是将仪器安装在可以伸缩的三脚架上并置于两观测点之间。 首先打开三脚架并使高度适中，用目估法使架头大致水平并检查脚架是否牢固，然后打开仪器箱，用连接螺旋将水准仪器连接在三脚架上。
2. 粗平 粗平是使仪器的视线粗略水平，利用脚螺旋置圆水准气泡居于圆指标圈之中。具体方法：用仪器练习。在整平过程中，气泡移动的方向与大拇指运动的方向一致。
3. 瞄准 瞄准是用望远镜准确地瞄准目标。 首先是把望远镜对向远处明亮的背景，转动目镜调焦螺旋，使十字丝最清晰。再松开固定螺旋，旋转望远镜，使照门和准星的连接对准水准尺，拧紧固定螺旋。最后转动物镜对光螺旋，使水准尺的清晰地落在十字丝平面上，再转动微动螺旋，使水准尺的像靠于十字竖丝的一侧。
4. 精平 精平是使望远镜的视线水平。微倾水准仪，在水准管上部装有一组棱镜，可将水准管气泡两端，折射到镜管旁的符合水准观察窗内，若气泡居中时，气泡两端的像将符合成一抛物线型，说明视线水平。若气泡两端的像不相符合，说明视线不水平。这时可用右手转动 微倾螺旋使气泡两端的像完全符合，仪器便可提供一条水平视线，以满足水准测量基本原理的要求。注意：气泡左半部分的移动方向，总与右手大拇指的方向不一致。
5. 读数 用十字丝，截读水准尺上的读数。水准仪多是倒像望远镜，读数时应由上而下进行。先估读毫米级读数，后报出全部读数。注意，水准仪使用步骤一定要按上面顺序进行，不能颠倒，特别是读数前的符合水泡调整， 一定要在读数前进行。
主要型号
水准仪适用于水准测量的仪器，中国水准仪是按仪器所能达到的每千米往返测高差中数的偶然中误差这一精度指标划分的，共分为4个等级。
水准仪型号都以DS 开头，分别为“大地”和“水准仪”的汉语拼音di yi个字母，通常书写省略字母DS。其后"0.5”、“1”、“3”、“10”等数字表示该仪器的精度。S3级和S10级水准仪又称为普通水准仪，用于中国国家三、四等水准及普通水准测量，S0.5级和S1级水准仪称为精密水准仪，用于中国国家一、二等精密水准测量：
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水准仪型号 |
DS0.5 |
DS1 |
DS3 |
DS10 |
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千米往返高差中数偶然中误差 |
≤0.5mm |
≤1mm |
≤3mm |
≤10mm |
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主要用途 |
国家一等水准测量及地震监测 |
国家二等水准测量及精密水准测量 |
国家三、四等水准测量及一般工程水准测量 |
一般工程水准测量 |
共同特点
电子水准仪是以自动安平水准仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD),并采用条码标尺和图象处理电子系统二构成的光机电测一体化的高科技产品。采用普通标尺时，又可象一般自动安平水准仪一样使用。它与传统仪器相比有以下共同特点： 1) 读数客观。不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。
2) 精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。
3) 速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。
4) 效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度。视距还能自动记录，检核，处理并能输入电子计算机进行后处理，可实线内外业一体化。
操作要点
在未知两点间，摆开三脚架，从仪器箱取出水准仪安放在三脚架上，利用三个机座螺丝调平，使圆气泡居中，跟着调平管水准器。水平制动手轮是调平的，在水平镜内通过三角棱镜反射，水平重合，就是水平。将望远镜对准未知点（1）上的塔尺，再次调平管水平器重合，读出塔尺的读数（后视），把望远镜旋转到未知点（2）的塔尺，调整管水平器，读出塔尺的读数（前视），记到记录本上。
计算公式：两点高差=后视－前视。
校正方法
将仪器摆在两固定点中间，标出两点的水平线，称为a、b线，移动仪器到固定点一端，标出两点的水平线，称为a’、b ’。计算如果a－b≠a’－b ’时，将望远镜横丝对准偏差一半的数值。用校针将水准仪的上下螺钉调整，使管水平泡吻合为止。重复以上做法，直到相等为止。
保养与维修
1．水准仪是精密的光学仪器，正确合理使用和保管对仪器精度和寿命有很大的作用
2．避免阳光直晒，不许可证随便拆卸仪器
3．仪器有故障，由熟悉仪器结构者或修理部修理
4．每个微调都应轻轻转动，不要用力过大。镜片、光学片不准用手触片
5．每次使用完后，应对仪器擦干净，保持干燥。
福建自动安平水准仪