Нивелир — название произошло от французских слов niveler, означающего «выравнивать», niveau — «уровень». Представляет собой геодезический измерительный прибор, используемый для измерения превышения уровня точек земной поверхности и определения горизонтальных направлений при монтажных и строительных работах.
Первые прототипы нивелиров появились еще в древности, чему способствовало строительство каналов, в I в. до н. э. в Древнем Риме и Греции. Дальнейшее развитие их произошло в XVI в. Была изобретена зрительная труба в конце XVI в., сетку в зрительной трубе придумал в 1669 г. Ж. Пикар, уровень — в 1768 г. Дж. Рамс в Англии. В России в 1715 г. нивелиры построил И. Е. Беляев. В 1871 г. в России были начаты работы по созданию нивелирной сети.
Известные русские ученые, работавшие в этой области, — В. Я. Струве, Н. Я. Цингер. С. Д. Рыльке. В XX в. нивелирование продолжает развиваться в связи с потребностями различных инженерно-технических областей, осуществляются исследовательские геодезические работы. Современные нивелиры различаются по своей конструкции и по точности нивелировки. Они бывают точные, высокоточные, технические. Процесс нивелирования различается по методу его выполнения и бывает геометрический, тригонометрический, барометрический, механический, гидростатический.
В основном применяются инструменты нивелиры, относящиеся к оптикомеханическим приборам, предназначенным для нахождения разницы высот точек земной поверхности, т. е. с его помощью производят геометрическое нивелирование.
Главной составляющей такого нивелира является зрительная труба, которая фиксируется в строго горизонтальном положении, она способна вращаться в горизонтальной плоскости, устанавливается при помощи спиртового уровня. Также нивелир оснащен чувствительным уровнем-подставкой, считающимся тоже главной частью измерительного инструмента. Инструмент устанавливается главным образом на треножник-штатив. Нивелир оснащается двумя вертикальными рейками с делениями, разность между цифрами на этих рейках соответствует разности высот точек, на которых зафиксированы рейки. Чтобы произвести отсчет, нужно визирную линию зрительной трубы установить в горизонтальной плоскости, используя уровень.
Нивелиры различаются по типам в зависимости от конструкции. Различия заключаются в соединении зрительной трубы, подставки, уровня — этих трех основных частей любого нивелира. Самые распространенные нивелиры имеют жесткое соединение трубы и уровня с подставкой, представляющие собой детали, которые соединяют трубу с горизонтальной осью. Элевационный винт устанавливает уровень в нольпункт.
Геометрическое нивелирование — этот метод основан на отсчитывании высоты визирного луча над земной поверхностью в определенной точке, где устанавливается рейка с делениями. Нивелир при этом способе устанавливается на штативе. Геометрическое нивелирование делится на классы по точности результатов. Для нивелирования I класса используются высокоточные нивелиры. Средняя квадратичная случайная ошибка составляет при нивелировании I класса не более 0,5 мм, при нивелировании II класса — не более I мм. Нивелирование III и IV классов осуществляется уже на основе линий высших классов.
Тригонометрическое нивелирование измеряет разность высот двух удаленных точек местности при прохождении через них угла наклона визирного луча. Это метод нивелирования распространен в топографической съемке, определяет давление воздуха в точках на разных высотах. Его измеряют барометром и по результату вычисляют высоты. Этот метод нивелирования используют в геологических, географических исследованиях, в топографической съемке.
Механическое нивелирование. Для этого метода используют специальный нивелир-автомат. Его располагают на автомобиле, и он во время движения измеряет расстояние и вычерчивает профиль местности, определяет разность высот точек и расстояние между ними.
Гидростатическое нивелирование. Для этого метода применяется специальный гидростатический нивелир. Его конструкция имеет две стеклянные трубки, которые вставлены в рейки с делениями. Трубки наполнены жидкостью, их соединяет шланг. По разному уровню жидкости в трубках можно определить разность высот местности. Этим методом изучают деформацию сооружений. Как правило, нивелирование имеет целью создание нивелирной сети пунктов с уже определенными высотами способом нивелирования. Эта сеть считается основой для проведения последующих нивелирных работ, топографической съемки, строительных и проектных работ.
Разработаны нивелиры, имеющие самоустанавливающуюся линию визирования, которая вводится автоматически. Для более точного нивелирования необходимо учитывать кривизну земной поверхности. Нивелиры с уровнем должны обеспечить взаимное положение визирной линии и оси уровня, которые достаточно близки по параллельному и практически стабильному времени относительно изменений температуры. Работа таким типом нивелира предполагает постоянную и часто повторяющуюся выверку, поэтому для упрощения выверок были разработаны другие типы нивелиров, которые отличаются способом соединения основных частей нивелира, т. е зрительной трубы, уровня и подставки. Существует вариант соединения уровня с трубой, которая перекладывается на подставке, также труба может находиться на подставке. Один из вариантов нивелира называется глухим и представляет собой неотъемлемое соединение уровня, трубы и подставки. В глухих нивелирах довольно часто применяются элевационные винты, которые облегчают фиксирование пузырька уровня в нуль-пункт. Отмечено также увеличение точности нивелира такого типа при включении в конструкцию элевационного винта. Абсолютно все детали, которые объединяют зрительную трубу и горизонтальную плоскость, принимаются в качестве подставки. В современных нивелирах устанавливаются автоматические компенсаторы, являющиеся приспособлениями компенсации возможной вибрации при произведении геодезических или строительных работ. На нивелирах также применяется призменная насадка, которая производит построение вертикальных плоскостей на строительных площадках и измерениях, производимых в труднодоступных районах. Оснащаются насадными оптическими микрометрами, увеличивающими точность измерения превышений, диапазон работ соответствует 0—10 мм. Современные нивелиры обеспечиваются зрительной трубой прямого изображения, горизонтальным лимбом с ценой деления 1° для трассировки направлений. При взаимодействии этих приспособлений с автоматическим приспособлением визирной оси в горизонт существенно повышается производительность нивелира, точность увеличивается, диапазон применения расширяется. Также в некоторых моделях предусмотрена кнопка, являющаяся специальным устройством для защиты механизма компенсатора от случайных ударов и повреждений, которые возможно получить при перемещении нивелира в футляре, или фиксатор.
Оптико-механические нивелиры по точности подразделяются на высокоточные, точные, технические нивелиры. Оптическая система нивелиров заполняется азотом, что препятствует созданию конденсата. Диоптрический визир служит для быстрой предварительной наводки на объект исследования. Обеспечение металлическим корпусом служит для защиты от повреждений. Оптический нивелир применяется для плоских и кругообразных штативов. Оптический нивелир может содержать автоматический компенсатор с магнитным демпфером. Гидростатические нивелиры разработаны на основе системы сообщающихся сосудов.
Лазерные нивелиры представляют собой электронно-механические устройства, созданные на основе лазерного луча, вращающегося со скоростью 600 об/мин. Для установки плоскости в горизонтальное положение задействуются электронные и жидкостные уровни, а также автоматические системы самонивелирования. Фиксирование плоскости осуществляется при помощи обычных нивелирных реек и реек, которые оснащаются специальным приемником излучения. Главным достоинством таких приборов является простота при эксплуатации прибора. При работе с лазерным нивелиром не требуется наличие специальных навыков по настройке инструмента. К существенным преимуществам также относится возможность произведения работ только одним человеком. Лазерные нивелиры создают видимую лазерную плоскость, для увеличения точности при работах используются приемники в лазерных приборах. Выравниваемые вручную нивелиры являются профессиональным инструментом базового уровня, они работают в результате поворота регулировочных колес, контролирование при этом происходит благодаря встроенным в компенсатор пузырьковым уровням. Нивелиры этого уровня используют для произведения разметки под любым углом, а также для вертикальной и горизонтальной разметки. Характерной особенностью этих приборов считается возможность работать на дальнем расстоянии, обеспечение нивелиров разнообразными многофункциональными креплениями. Элевационный штатив и распорная штанга применяются для увеличения возможностей применения нивелира.
Ротационные лазерные нивелиры — полностью автоматические лазерные нивелиры, в конструкции предусмотрен автоматический компенсатор для самогоризонтирования. Для перехода к работе его необходимо закрепить на штативе. Также он оснащается приемником и аккумулятором. Корпус защищен от попадания пыли и влаги. В приборах такого типа предусматривается защита от неправильного построения плоскости в результате изменения положения или сдвига. Устанавливаться прибор может в трех уровнях, работа нивелира определяется в нескольких скоростях, обладает функцией сканирования. Также некоторые современные лазерные нивелиры обеспечиваются пультом управления и могут устанавливаться на фото-или видеоштатив, а также на специальное крепление к стене, на обычном и стандартном геодезических штативах. Также ротационные лазерные нивелиры могут оснащаться цилиндрическим уровнем и призмой для построения неподвижной линии толщиной 2,5 мм, расположенной на расстоянии 5 м от стены.
Автоматические лазерные нивелиры являются полностью автоматическими, тоже имеют автоматический компенсатор для самогоризонтирования, корпус защищен от попадания пыли и влаги, для введения в работу необходимо только установить на штатив. В случае перемещения или сдвига существует защита от неправильного построения плоскости. Нивелир способен строить горизонтальные и вертикальные плоскости. Лазерный излучатель работает в трех режимах: нивелирование, сканирование (используется для работы с приемником на больших расстояниях), лазерная развертка (используется для работы с определенным участком поверхности при выполнении строительных и отделочных работ). В комплект может входить пульт управления. Некоторые автоматические нивелиры при работе создают вращающийся луч, который, в свою очередь, образует видимую лазерную плоскость по горизонтали или по вертикали. Зенитный луч используется для определения направления в результате разбивки или контроля вертикальности.
Мультипризменные лазерные нивелиры оснащаются оптической системой, содержащей две, три (иногда до пяти) призмы, способной разворачивать плоскость и создавать видимые горизонтальные и вертикальные плоскости. В нивелирах такого типа все части глухие, т. е. не вращаются, поэтому их относят к легким, надежным нивелирам. Считается, что они компактнее и экономичнее ротационных лазерных уровней. В таких нивелирах предусмотрена автоматическая установка плоскости в горизонтальное положение, они используются для произведения работ внутри помещения. Некоторые модели мультипризменных лазерных нивелиров созданы карманного размера, выполняют построение горизонтальной и вертикальной плоскостей, некоторые модели имеют лазерный отвес, оснащены механизмом самовыравнивания. Разработаны модели, которые генерируют горизонтальный уровень и вертикаль, имеют три ортогональные лазерные плоскости и отвес. Также существуют модели с четырьмя вертикальными лазерными линиями и одной горизонтальной, указывающими крестом на фронтальное препятствие на стене и потолке. Они оснащаются дополнительным вертикальным лучом, переносящим точку пересечения лазерных линий с потолка на пол.
Универсальный лазерный нивелир обеспечивается поворотной призмой, что позволяет выполнять функцию кругового нивелирования. Такой нивелир для удобства измерений устанавливается на подставку. Он является самым приемлемым нивелиром, измеряющим точки, расположенные на одинаковой
высоте, при наличии призмы и устройств для крепления используется для кругового нивелирования бордюров, облицовки стен, подвесных потолочных покрытий, площади пола и дорог. Лазерный уровень укомплектовывается лазерным нивелиром с точечным принципом, поворотной пятиугольной призмой, устройством для крепления. В некоторых модификациях используется кейс. Разработаны модели широкого применения, которые направлены на построение горизонтальной или вертикальной плоскости с автоматическим выравниванием, способные вручную выстраивать наклонную плоскость с отклонением до 5° от горизонта или вертикали. Такие нивелиры снабжаются лазерным лучом, который задает направление при разбивке. Нивелиры выполняют разнообразные функции сканирования, обеспечиваются приемником и дистанционным управлением.
Оптические нивелиры используются для точного нивелирования, геометрического нивелирования либо для нивелирования с высокой точностью, применяются для произведения геодезических работ в строительстве, при инженерных изысканиях, монтажных работах, при топографических съемках. Лазерные нивелиры применяются при строительных работах и служат для нивелирования во внутренней части помещения, а также вне помещений; используются для задания горизонтальной, вертикальной или наклонной плоскости.