水准器的灵敏度及其影响因素

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1、科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.11No.10Apr.20112011Sci.Tech.Engng.第11卷第10期2011年4月1671—1815(2011)10-2290-04地球科学水准器的灵敏度及其影响因素刘宗林(陕西交通职业技术学院公路系，西安710018)摘要水准器的精度主要取决于它的格值，水准器的格值与圆弧半径成反比。格值小的水准器灵敏度高，但是相同格值的水准器其灵敏程度也可能不相同。分析了影响水准器灵敏度的因素，得出了气泡长度是影响水准器灵敏度的重要因素，并给出了提高水准器灵敏度的一些行之有效的方法

2、。关键词水准器中图法分类号格值灵敏度置中精度P224．1;文献标志码B水准器的灵敏度是指将水准器缓慢地倾斜，当静止的气泡开始移动并为观察者肉眼能够觉察时，水准器所倾斜的角度［1］。圆弧所做的切线LL'，称为水准器轴，它与通过O'点的铅垂线O'O垂直。1水准器的用途水准器用来指示仪器的某一轴线处于水平或铅垂位置，如水准仪就借助于它将望远镜视线安平;经纬仪就借助于照准部上的水准器将竖轴安放至铅垂位置等等。水准器也用来精确地测量微小倾角，如经纬仪横轴倾斜角的测量。水准器在大型及精密机械设备安装中使用也相当广泛，如精密圆刻线机的安装、大型发电机主轴的安装、矿井大型提升机主轴的

3、安装等等。图1水准蒸气泡封口为了指示气泡的位置，在玻璃管上均刻有分划线，格宽一般均为2mm。水准器的格值:每一格分划(2mm)所对应的圆弧角为:2水准器的结构原理τn=O'O″2(1)ρ″=Rρ″R目前水准器均用玻璃管将其内壁研磨成一定曲率，里面填充精馏乙醇或乙醚等，在封口前内腔形成一气泡，如图1所示。在水准器中点O'对管内式(1)中:R为圆弧半径，单位:mm。格值(角值)τn也可理解为气泡移动2mm时，水准器所倾斜的角度值。它与R成反比。从几何尺寸来讲，R值是水准器精度的决定因素，当τ=1″时R=412．530m，当时R=0．115m。2010年12月29日收到，2

4、011年1月6日修改陕西省交通科技项目(2008-20K)资助3灵敏度与气泡长度的关系水准器的灵敏度是指当气泡产生0．2mm(0．1格)位移时，水准器倾角的变化量［2］。气泡长度是影响灵敏度的重要因素。气泡在玻璃管内移动时，必须克服液体对管壁的附着力，只有当气泡两端的压力差大于其附着力(此附着力取决于玻璃管内工作面的光洁度，清洁度以及液体的物理性质和纯洁度)时，气泡才会移动。如图2所示，当格值相同但气泡长度不同的水准器，均倾斜Δα时，长度较长(L2＞L1)的气泡，两端压力差就较大。压力差可用气泡两端的高差h2和h1近似表示。压力差越大，气泡就越容易产生移动，灵敏度就越

5、高［3—4］。对一个质量良好的水准器(τ=16″)，用不同的气泡长度，在相同的外界条件下进行试验，得出气泡长度与置中误差的关系如表1所示。图2气泡移动随之降低。温度对于气泡长度影响的大小，取决于管内气体和液体的比例。液体越多，温度变化对气［5］泡长度的影响就越大。对格值不同的水准器进行了实际测定，其结果如表2所示。表2温度与气泡长度的关系水准管格值/(″)510152030温度变化1℃时气泡长度变化量/mm1．00．80．60．50．4又如，格值为16″的水准器，当温度在0—30℃时，气泡长度由25格缩短为17格，即气泡长度缩短了8格，16mm，置中误差增大了约50%

6、。可见，温度可使水准器中的气泡长度产生明显的变化，特别是格值较小的高精度水准器，气泡长度的改变可使水准器的精度显著降低。尽可能地减少液体，以改变管内液体与气体的表1气泡长度与置中误差气泡长度/格410162029气泡置中误差/(″)1．40．60．40．30．2从表1可以看出，气泡置中误差m'中与气泡长度L气成反比，可用一近似经验公式表示。K(2)m'中=L［5］比例是提高水准器灵敏度的途径之一。制造水准器时，玻璃管两端的封闭，一般采取传统的烧封闭方法。在烧封的过程中，两端内壁的曲率半径将发生变化，并形成“无用区段”，一般每段有3—5mm长。当气泡长度(－40—+60

7、℃的平均长度)气式(2)中K为随格值变化的系数，当τ=16″时，K=6。气泡长度是受水准管长度限制的。由于制造和安装方面的原因，水准器两端部分的长度是不能工作的，因此气泡长度一般只是水准器全长的1/4—1/3。为水准器总长的1/3时，水准器腔内液体占93%，气泡(即气体)仅占7%，为缩短“无用区段”，可采用胶合式水准器，也称多部件水准器，如图3所示。4气泡长度与温度的关系采用这种结构，可使气泡所占的体积由7%增至科学技术与工程11卷2292通过符合棱镜观察的水准器为τ″m中=±25(4)若符合棱镜系统中装有放大镜时，则图3多部件水准器τ″m中=±25