什么是水平仪？历史、类型和工作原理

水平仪是一种工具，它用密闭玻璃管里的一个小气泡来判断表面是水平的还是垂直的。玻璃管内灌满液体。表面水平时，重力会把气泡带到玻璃管上两条刻线之间的正中。名称里的"spirit"（酒精）指的是管内的液体，跟任何超自然的东西都没有关系。

关键要点

• 水平仪由法国作家梅尔基塞德克·泰韦诺在1660年代发明。
• 气泡会升到弯曲玻璃管的顶端，因为空气比周围的液体轻。表面水平时，弧线的顶端正好在正中。
• 一把好的建筑水平仪的水平精度约为每米0.5毫米，大约相当于0.03°。
• 校准过的手机加速度计精度约在0.1°到0.3°之间，接近一把中档的专业水平仪。
• 管内液体通常是乙醇或醋酸异戊酯，染成黄绿色，让气泡更容易看清。

水平仪的简短历史

梅尔基塞德克·泰韦诺在1660年代发明了水平仪。他是法国作家和藏书家，更为人熟知的是他在旅行和地理方面的著作，而不是工具。他发现，装着液体和一个气泡的密闭玻璃管总会把气泡推到最高的位置。这样就有了一个稳定的水平参考，而不像铅垂线那样会来回摆动。

为什么用酒精代替了水

水本来是最先想到的选择，早先的工匠也用装水的水槽来做粗略的水平参考。但水有两个毛病。它会结冰，工具在冬天就不能用了。它还会不均匀地粘在玻璃上，气泡因此会粘住、跳动，而不是顺畅滑动。酒精（也就是"spirit"）在通常的户外温度下不结冰，流动干净，还能均匀润湿玻璃。所以它胜出了。

从泰韦诺到建筑工地

接下来的一个世纪里，测量员和仪器工匠开始使用水平仪。望远镜制造者用它来调平支架。测量员发现它比水槽好带，做水平工作时又比铅垂线稳。到了19世纪，工业生产带来了便宜又一致的玻璃管。20世纪又加上了铝制方梁，以及今天大多数工匠随身带的小型鱼雷水平仪。

水平仪是如何工作的？

全靠玻璃管来完成工作。它是一根密闭的玻璃或亚克力管，稍微弯曲，里面灌着稀薄的液体（乙醇或醋酸异戊酯）和一个气泡。空气比液体轻，所以重力把液体往下拉，气泡就升到管里最高的地方。表面水平时，最高点就是弧线的顶端，那里标着两条线。气泡就停在两条线之间。

玻璃管弧度的作用

弧度决定灵敏度。弧度越紧（半径越小），同样的倾斜下气泡移动得越远，小误差就看得越清楚。弧度越缓，气泡移动得越少，在粗糙表面上更宽容，但精细读数更难。

弧度半径约1米的玻璃管，每倾斜1米大约让气泡移动2毫米。好的建筑水平仪用更紧的弧度，大约做到每米0.5毫米。精密测量用的水平仪半径达10米甚至更长，可以低到每米约0.02毫米。

液体到底起什么作用

液体得同时做好几件事。它得稀，气泡才动得快。它在零度以下也得保持液态。它得让气泡保持一个圆形。它还得均匀润湿玻璃，气泡才会滑动而不是粘住。乙醇这四点都做得到。它大约在-114°C才结冰，远低于任何工地会遇到的温度。醋酸异戊酯（香蕉油）保质期更长，出现在一些热带地区用的工具里。

黄绿色只是染料。清澈的液体配上清澈的玻璃，在强光下很难看清气泡。

水平仪有哪些类型？

水平仪的形状比大多数人想象的多，每一种都适合不同的活。它们内部的工作方式都一样：一根弯曲的玻璃管和一个气泡。变的是大小和形状，这决定了你能在哪里用它。

为这份活选对类型

长度比大多数买家想的更重要。把一把9英寸的鱼雷水平仪放在6英尺长的一排橱柜上，它只能测那9英寸的范围，测不到整排。中间一个缓慢的弯曲就可能从你眼皮底下溜过去。用能放得下的最长的水平仪。一把48英寸的水平仪放在厨房橱柜上，能发现24英寸水平仪直接跨过去的高点。

怎么读水平仪？

读水平仪关键在于你的眼睛在哪里。玻璃管上的两条线是目标，气泡得停在它们之间。要正对着玻璃管看。哪怕从侧面偏15度去读，视差就会让气泡在你眼里移了位，而它其实根本没动。这是我在工地上见得最多的错误。

标准水平仪上的两根玻璃管

大多数24英寸以上的水平仪有两根玻璃管。一根是水平的，用来查水平。另一根成90度，用来查垂直。水平仪的边贴平并水平时，水平管的气泡居中。边垂直时，垂直管的气泡居中。有些水平仪还加了一根45度的管。

那两条刻线到底是什么意思

那两条线并不是精确的"0度"。它们划出的是够用的范围。如果气泡碰到某条线而不是停在正中，那么表面就在玻璃管的额定精度以内水平。在一根每米0.5毫米的玻璃管上，气泡碰到线就表示你在每米0.5毫米以内。停在正中更精确，好的玻璃管能接近每米0.1毫米。

为什么气泡总是回到正中？

原理跟小球滚到碗底一样，只是上下颠倒过来。气泡里的空气比周围的液体轻，所以它会升到密闭玻璃管里够得着的最高点。玻璃管向上弯曲，所以表面水平时，弧线的顶端正好在正中。重力把液体往两端拉下去，气泡就浮到中间。

把玻璃管一倾斜，弧线的顶端就跟着挪。把左端压低1度，最高点就往右端移。气泡跟着它，向右移动。移多远取决于弧线的半径。这就是为什么弧度越紧读数越细：同样1度的倾斜，气泡在紧弧线上滑动的距离比在缓弧线上更远。

水平仪和铅垂锤是一对搭档。两者都用重力作参考，只是方向相反。铅垂锤靠吊一个重物来找真正的垂直。水平仪靠浮一个气泡来找真正的水平。有了这两样，两件工具、零电子元件，你就把两个方向都测全了。这也是为什么泰韦诺的设计过了350年还留在工具包里。

水平仪有多准？

精度取决于你花了多少钱。一把好的铝制方梁水平仪的水平精度约为每米0.5毫米，接近0.03°。五金堆里那种便宜的塑料水平仪，误差可能有每米2毫米甚至更多，大约0.11°。这对钉个篱笆桩没问题，对贴砖或做精细收边就没用了。

反向测试：检查你的水平仪准不准

检查水平仪不需要任何专门的设备。反向测试在任何平面上都能做。把水平仪放下，仔细记下气泡对着中心刻线停在哪里。现在把它转180度，两端调换，但保持同一条边朝下。再看一眼气泡。

如果两次气泡都停在同一位置，那这把水平仪没问题。如果它移了位，真正的误差是两次读数之差的一半。好的水平仪根本看不出任何移动。

精度是怎么随时间变差的

传统水平仪主要因为磕碰而失准。摔一下，框架会微微弯曲，玻璃管相对于你搁在活上的那条边就歪了。玻璃管会裂，然后液体慢慢蒸发，气泡就变大。塑料玻璃管还会随时间发黄，气泡就更难读了。

数字水平仪和手机水平仪比起来怎么样？

手机用MEMS加速度计来测角度。那是一个微小的硅质部件，在重力下会弯曲，芯片再把这个弯曲换算成角度。校准之后，手机的精度约在0.1°到0.3°之间。这能赶上一把中档的专业水平仪，也胜过任何没有认证的廉价货。

手机能做到的不一样的事

手机能做玻璃管做不到的事。越接近水平，它哔得越快，你就能眼睛盯着活、手不用碰屏幕地干。它能按项目保存读数，还带照片和GPS。它能把角度显示成度、百分比、每米毫米、每英尺英寸、比例或屋顶坡度。它还能让你设一个目标，比如2度的排水坡度就当成你的零点来读。

手机水平仪的意义不在精度。一把好的传统水平仪一样准。它的意义在于：手机本来就在你口袋里，它能开口跟你说话，还能把你测过的东西记下来。

传统水平仪仍然占上风的地方

长度是最明显的一条。一把6英尺的水平仪能跨过手机看不到的隆起和凹陷，因为手机只能测它自己身体那一段，大约6英寸。它没法告诉你台面中间是不是拱起来了。长距离铺设时拿长水平仪。点检查和读实际角度时拿手机。

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