水準仪是在17～18世纪发明了望远镜和水準器后出现的。20世纪初，在制出内调焦望远镜和符合水準器的基础上生产出微倾水準仪。20世纪50年代初出现了自动安平水準仪；60年代研製出雷射水準仪；90年代出现电子水準仪或数字水準仪。

藉助于微倾螺旋获得水平视线的一种常用水準仪。作业时先用圆水準器将仪器粗略整平，每次读数前再藉助微倾螺旋，使符合水準器在竖直面内俯仰，直到符合水準气泡精确居中，使视线水平。微倾的精密水準仪同普通水準仪比较，前者管水準器的分划值小、灵敏度高，望远镜的放大倍率大，明亮度强，仪器结构坚固，特别是望远镜与管水準器之间的联接牢固,装有光学测微器，并配有精密水準标尺，以提高读数精度。中国生产的微倾式精密水準仪，其望远镜放大倍率为40倍,管水準器分划值为10″/2毫米，光学测微器最小读数为0.05毫米，望远镜照準部分、管水準器和光学测微器都共同安装在防热罩内。

藉助于自动安平补偿器获得水平视线的一种水準仪。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準标尺上物点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。

如光路中不採用光线屈折而採用平移时，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、活动十字丝和悬挂稜镜等多种。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”的摆动能儘快地得到稳定，必须装一空气阻尼器或磁力阻尼器。这种仪器较微倾水準仪工效高、精度稳定，尤其在多风和气温变化大的地区作业更为显着。

利用雷射束代替人工读数的一种水準仪。将雷射器发出的雷射束导入望远镜筒内，使其沿视準轴方向射出水平雷射束。

利用雷射的单色性和相干性，可在望远镜物镜前装配一块具有一定遮光图案的玻璃片或金属片，即波带板，使之所生衍射干涉。经过望远镜调焦，在波带板的调焦範围内，获得一明亮而精细的十字型或圆形的雷射光斑，从而更精确地照準目标。如在前、后水準标尺上配备能自动跟蹤的光电接收靶，即可进行水準测量。在施工测量和大型构件装配中，常用雷射水準仪建立水平面或水平线。

数字水準仪是目前最先进的水準仪，配合专门的条码水準尺，通过仪器中内置的数字成像系统，自动获取水準尺的条码读数，不再需要人工读数。这种仪器可大大降低测绘作业劳动强度，避免人为的主观读数误差，提高测量精度和效率。

电子水準仪又称数字水準仪，它是在自动安平水準仪的基础上发展起来的。它採用条码标尺，各厂家标尺编码的条码图案不相同，不能互换使用。2013年前照準标尺和调焦仍需目视进行。人工完成照準和调焦之后，标尺条码一方面被成像在望远镜分化板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜，标尺条码又被成像在光电感测器（又称探测器）上，即线阵CCD器件上，供电子读数。因此，如果使用传统水準标尺，电子水準仪又可以像普通自动安平水準仪一样使用。不过这时的测量精度低于电子测量的精度。特别是精密电子水準仪，由于没有光学测微器，当成普通自动安平水準仪使用时，其精度更低。

当前电子水準仪採用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法：

1）相关法（徕卡NA3002/3003）

2) 几何法（蔡司DiNi10/20）

3) 相位法（拓普康DL101C/102C）

藉助微倾螺旋获得水平视线。其管水準器分划值小、灵敏度高。望远镜与管水準器联结成一体。凭藉微倾螺旋使管水準器在竖直面内微作俯仰，符合水準器居中，视线水平。

藉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，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。这种仪器较微倾水準仪工效高、精度稳定。

利用雷射束代替人工读数。将雷射器发出的雷射束导入望远镜筒内使其沿视準轴方向射出水平雷射束。在水準标尺上配备能自动跟蹤的光电接收靶，即可进行水準测量

这是20世纪90年代发展的水準仪，集光机电、计算机和图像处理等高新技术为一体，是现代科技最新发展的结晶。

DS03高精密自动安平水準仪是採用内置式的测微平板结构，採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，仪器採用全密封设计，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；补偿器的固定採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，水準器精度更高，居中性能更好。

DS03水準仪是当前唯一能做到批量生产的国产高精密级水準仪，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準仪的潮流。DS03高精密自动安平水準仪是内置测微平板的高精密自动安平水準仪，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,精确可靠，最重要的一点是，DS03水準仪1km往返水準测量标準偏差达到0.3mm的水平，在国内所有品种水準仪中是最高的。经测试，1km往返差完全达到国家标準高精密级水準仪的要求。

DS03水準仪是一款真正的高精密级光学水準仪，其各项技术指标都满足国标《水準仪GB 101562009》

中高端系列仪器的要求。

可以套用于国家一等水準测量及地震水準测量，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。

●水準网测量 / ●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 水準线路测量、

区域水準测量、水準 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

拓普康电子水準仪DL101C/102C採用相位法。标尺的条码像经望远镜、调焦镜、补偿器的光学零件和分光镜后，分成两路，一路成像在CCD线阵上，用于进行光电转换，另一路成像在分划板上，供目视观测。DL101标尺上部份条码的图案，其中有三种不同的码条。R表示参考码，其中有三条2mm宽的黑色码条，每两条黑色码条之间是一条1mm宽的黄色码条。以中间的黑码条的中心线为準，每隔30mm就有一组R码条重複出现。在每组R码条左边10mm处有一道黑色的B码条。在每组参考码R的右边10mm处为一道黑色的A码条。读者不难发现，每组R码条两边的A和B码条的宽窄不相同，实际上A和B码条的宽度是在0到10mm之间变化，这两种码包含了水準测量时的高度信息。

仪器设计时有意安排了它们的宽度按正弦规律变化。其中A码条的周期为600mm，B码条的周期为570mm。当然，R码条组两边的黄码条宽度也是按正弦规律变化的，这样在标尺长度方向上就形成了亮暗强度按正弦规律周期变化的亮度波。条码的下面画出了波形。纵坐标表示黑条码的宽度，横坐标市标尺的长度。实线为A码的亮度波，虚线为B码的亮度波。由于A和B两条码变化的周期不同，也可以说A和B亮度波的波长不同，在标尺长度方向上的每一位置上两亮度波的相位差也不同。这种相位差就好像传统水準标尺上的分划，它可由标出标尺的长度。只要3能测出标尺底部某处的相位差，也就可由知道该处到标尺底部的高度，因为相位差可以作到和标尺长度一一对应，即具有单值性。这就是适当选则两亮度波的波长，在DL101中A码的周期为600mm，B码的周期为570mm，它们的最低公倍数为11400mm，因此在3m长的标尺上不会有相同的相位差。为了确保标尺底端面，或说相位差分划的端点相位差具有唯一性，A和B码的相位在此错过了π/2。

DL－102C的标尺与DL－101C的略有区别，DL－102C的标尺为白底黑条码，A码的波长为330mm，最低公倍数为3300mm。A和B码在波长底部错开的相位差为π。DL101－C的标尺与DL－102C的标尺可由互换使用。

当望远镜照準标尺后，标尺上某一段的条码就成像线上阵CCD上，黄条码使CCD产生光电流，随条码宽窄的改变，光电流强度也变化。将它进行模数转换(A/D)后，得到不同的灰度值。视距在Δ0.6m时标尺上某小段成像到CCDA上经A/D转换后，得到的不同灰度值(纵坐标)，横坐标是CCD上象素的序号，当灰度值逐一输出时，横轴就代表时间了。横坐标标记的数字判断，仪器採用了512个象素的线阵CCD。视距和视线高的信息的测量信号。

如何从上述测量信号中求出A和B两亮度波的相位差呢？下文用测量人员容易理解的方式来说明。构想纵坐标的灰度值就是表示亮度大小的十进位数字，而且横坐标尺寸已放大到和标尺尺寸一致。用一波长为600mm的正弦曲线中的离散灰度值曲线拟合，就可由得到A波的最大振幅和初相位。再用波长为570mm的正弦曲线，就可由得到B波的最大振幅和初相位。人们对最大振幅不太感兴趣，因为随着标尺上的照度不同，最大振幅在不同次数的测量中也不同，对求视线高无关紧要。求出的A和B两亮度波的初相位之差就是高度数据。不过这是与CCD上第一个象素对应的位置到标尺底端面的高度。人们不难把它换算成CCD中点象素上的相位差，这就好象是中丝读数。

像上述那样人工处理测量信号是很麻烦的，而且很费时间。在DL系列中则採用快速傅立叶变换(FFT)计算方法将测量信号在信号分析器中分解成三个频率分量。由A和B两信号的相位求相位差，即得到视线高读数。这只是初读数。因为视距不同时，标尺上的波长与测量信号波长的比例不同。虽然在同一视距上A和B的波长相同，可由求出相位差，或说视线高，但是可以想像其精度并不高。

R码是为了提高读数精度和求视距二安排的。设两组R码的间距为P(=30mm)，它在CCD行阵上成象所占的象素个数为Z,象素宽为D(=25μm)，则P在CCD行阵上的成象长度为:

L=Z*b (3－1)

Z可由一信号分析中得出，b是CCD光敏视窗的宽度，因此l和P都为已知数据。根据几何光学成象原理，可以象传统仪器用视距丝测量距离的视距测量原理一样求出视距：

D=P/l*f (3－2)

式中f是望远镜物镜的焦距。同时还可以求出物象比

A=P/l (3－3)

于是将测量信号放大到与标尺上的一样时，再进行相位测量，就可以精确得出相位差，即视线高。

电子水準仪的三种测量原理各有奥妙，三类仪器都经受了各种检验和实际测量的考验，能胜任精密水準测量作业。

数字水準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、圆水準器误差;b、调焦透镜运行误差;c、竖轴倾斜引起的视準轴误差;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

数字水準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。

1.2人工光线的影响

徕卡NA系列数字水準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系列数字水準仪是採用可见光接收和检测条码影像,所以不受此影响。

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系列数字水準仪採用相关法进行测量,根据经验,仪器记忆体储的参考信号(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。

2.2最大相关係数计算的误差

数字水準仪相关时,在精度相关搜寻区域内,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,最大相关係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。

2.3测量信号处理(图像处理)的误差

数字水準仪的测量信号处理是获得高精度水準测量的关键环节,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)调焦的準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。

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,图像的处理是由水準仪内置的软体完成的。其误差依赖于软体的算法和技术的先进性。

3电视準轴(i角)的误差

电视準轴(i角)的误差对水準测量的影响理论上与光学水準仪i角误差相同,但电视準轴(i角)在数字水準仪中又缺少象光学视準轴(i角)那样的绝对标定水平视线的性质。然而电视準轴(i角)对水準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。儘管可以用前后视距等长加以减弱,数字水準仪也可由机内设定的程式自动改正,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。

4外界条件变化引起的误差

数字水準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)视準轴(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。

5数字水準仪所克服的常规水準仪的误差

(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。

以上仅能从概念上对数字水準仪误差加以论述,由于数字水準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。

水準仪的使用包括：水準仪的安置、粗平、瞄準、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，用连线螺旋将水準仪器连线在三脚架上。

2. 粗平 粗平是使仪器的视线粗略水平，利用脚螺旋置圆水準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. 瞄準 瞄準是用望远镜準确地瞄準目标。 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。再鬆开固定螺旋，旋转望远镜，使照门和準星的连线对準水準尺，拧紧固定螺旋。最后转动物镜对光螺旋，使水準尺的清晰地落在十字丝平面上，再转动微动螺旋，使水準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精确水平。微倾水準仪，在水準管上部装有一组稜镜，可将水準管气泡两端，折射到镜管旁的符合水準观察窗内，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，以满足水準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，截读水準尺上的读数。水準仪多是倒像望远镜，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，水準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。

水準仪适用于水準测量的仪器，中国水準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。

水準仪型号都以DS 开头，分别为“大地”和“水準仪”的汉语拼音第一个字母，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级水準仪又称为普通水準仪，用于中国国家三、四等水準及普通水準测量，S0.5级和S1级水準仪称为精密水準仪，用于中国国家一、二等精密水準测量：

电子水準仪是以自动安平水準仪为基础，在望远镜光路中增加了分光镜和探测器(CCD),并採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。採用普通标尺时，又可象一般自动安平水準仪一样使用。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採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。

在未知两点间，摆开三脚架，从仪器箱取出水準仪安放在三脚架上，利用三个机座螺丝调平，使圆气泡居中，跟着调平管水準器。水平制动手轮是调平的，在水平镜内通过三角稜镜反射，水平重合，就是水平。将望远镜对準未知点（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。

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，将望远镜横丝对準偏差一半的数值。用校针将水準仪的上下螺钉调整，使管水平泡吻合为止。重複以上做法，直到相等为止。

1．水準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、光学片不準用手触片

5．每次使用完后，应对仪器擦乾净，保持乾燥。