水平仪

定义

水平仪是测量小角度的常用量具，主要用于测定被测面相对于水平位置的倾斜角，并检验机床等设备导轨的平面度、直线度以及安装的水平位置和垂直位置^[1]。全国科学技术名词审定委员会把以液面为水平基准、据此测定被测面倾角的仪器称为水泡水平仪，英文对应 spirit level^[2]。按外形不同，常见有框式水平仪、尺式（条式）水平仪、万向水平仪、圆柱水平仪等；按水准器能否相对底座调整，又可分为可调式与不可调式两类^[3]。

在机械行业和仪表制造中，水平仪属于精密量具，机械设备安装时测定水平度和垂直度往往离不开它^[1]。它的读数通常以分度值表示，单位为毫米每米（mm/m），含义是把水平仪放在 1 米长的直规上，两端出现该数值的高度差时气泡恰好偏移一格。

原理

气泡式水平仪的关键部件是水准管。它是一端封闭的玻璃管，内壁研磨成具有一定曲率半径的圆弧面，管内充入酒精、乙醚等黏滞系数较小的液体，封装时留出一个小空间形成气泡^[4]。气体密度小于液体，因此无论管子怎样倾斜，气泡总会停在内壁弧面的最高点；被测面水平时气泡居中，偏离水平时气泡偏向较高的一端，从其偏离零点的格数即可读出倾斜量^[4]。

倾斜角与气泡位移之间近似成线性关系：设气泡移动的弧长为 $a$、水准管内壁曲率半径为 $r$，则倾角 $\varphi = a/r$（弧度），换算成秒值时为 $\varphi = (a/r) \times 206265$。由此可见，曲率半径越大，同样的倾斜引起的气泡位移越大，仪器的分辨率越高。例如分度值 0.02 mm/m 的水准器，气泡移动一格相当于工作面在 1 米长度上两端相差 0.02 毫米，折合约 4 角秒。

水准管的分划值 $ au$ 与圆弧半径 $R$ 的关系可写作 $\tau = (2/R) \times \rho$，其中 $\rho = 206265$ 为弧度的秒值，分划间隔一般取 2 毫米。灵敏度还受内壁研磨质量、气泡长度、液体性质和温度影响；灵敏度过高会使气泡居中耗时变长，因此仪器上的水准器灵敏度需与其精度相匹配^[4]。

除气泡式外，电子水平仪采用摆式传感器：摆体自由悬挂在细丝上，受重力作用保持垂直，底座随被测面倾斜时摆与电极之间的间隙发生变化。电容式据此改变电容量，电感式则通过铁心在线圈中移动产生电压差，信号经放大、检相后由数字显示^[5]。

发展历程

以液面为基准判断水平的思路由来已久，早期的人工水平仪即指气泡水准仪、陀螺仪一类指示水平面的装置，其气泡水准仪由水准器、水准器座和基座组成，靠拧动紧压螺钉与支撑螺钉调整水准器轴线与基面平行^[6]。

此后在气泡水准管基础上出现了条式、框式等结构。框式水平仪除下工作面外还有与下工作面垂直的两个侧面，因此除了检验水平面，还能靠贴被检表面测量垂直度偏差；带 V 形槽的工作面则用于检验圆柱形工件的水平位置，并配有横向水准器用于辅助定位。

为进一步提高读数精度与量程，合像水平仪把光学合像原理引入读数装置：气泡两端的影像经棱镜多次反射并放大 2 至 3 倍，两半圆弧像重合时读数，分度值一般为 0.01 mm/m；由于借助螺旋副调节，量程可达 ±5 mm/m 或 ±10 mm/m，明显超过条式和框式水平仪。

20 世纪后期以来，电感式、电容式电子水平仪逐步商品化，用数字显示代替肉眼对气泡的判读；近年还出现无线传输的电子水平仪，测量单元可与计算机分离布置，并配合软件完成平面度、直线度等项目的分析^[7]。

应用

在机械制造与设备安装中，水平仪用于检验各类机床及设备导轨的直线度，测定设备安装的水平位置与垂直位置，也可用于小角度测量和带 V 形槽工作面的测量，以及圆柱工件安装平行度的检查^[1]。电子水平仪灵敏度更高，可用于数控车床、铣床、加工中心乃至三坐标测量机等设备床身的检测^[3]。

在计量与精密检测中，电子水平仪可完成直线度、水平度、扭曲、平行度和表面平面度的测量，应用对象包括花岗岩与铸铁工作台面、机床导轨，也用于土木工程中建筑物相对沉降的监测和船舶工程的扭曲、对位测量^[7]。

在工程施工中，水平仪与激光投线、激光扫平等设备配合，用于墙体与立柱垂直度、吊顶与地面水平度的控制检测^[8]。日常生活中常见的水平尺、相机用小型水准泡，也属于同一类依据液面水平原理工作的器具^[9]。

局限

气泡式水平仪的输出是离散刻度，读数依赖人眼判断气泡与刻线的相对位置，精度受限于水准管分度值和估读能力；分度值越小虽然分辨率越高，但气泡稳定所需时间也越长^[4]。普通条式和框式水平仪的量程很小，只能测微小倾角，测量较大角度时需与正弦规等附件配合^[1]。

温度对管内液体影响明显，手的热量、阳光直射、哈气都可能带来测量误差，使用时应尽量避免。此外，水准器轴线与底面长期使用或受振动后可能不再平行，产生零位误差，需在使用前用翻转 180° 对比读数的方法检查并调整。

水平仪测量的是局部小范围内的倾斜，无法直接给出长距离或大范围的高程差；测两点高程通常要由水准仪配合水准尺按水准测量方法进行，两者的用途并不相同^[4]。水平尺一类简易器具只能判断表面是否平整，难以读出倾斜角度的具体数值，要同时获得角度数据需借助带角度机构的仪器^[10]。

参见

• 水准仪 —— 借助望远镜与水准器建立水平视线、配合水准尺测定两点高差的测量仪器。

• 水准器 —— 水平仪中指示水平或铅垂位置的敏感元件，分管水准器与圆水准器。

• 水平尺 —— 内置水准泡、用于建筑施工中快速判断表面是否水平或垂直的简易工具。

• 合像水平仪 —— 采用光学合像读数装置、量程与读数精度均较高的水平仪。

• 电子水平仪 —— 以摆式传感器和电子电路代替气泡、用数字显示倾角的水平仪。

• 角度计量 —— 水平仪读数所依据的分度值、角秒与斜率之间的换算属于角度计量范畴。