Уровни предназначены для ориентирования основных осей приборов относительно отвесной линии (параллельно или перпендикулярно к ней). В зависимости от формы ампулы уровни подразделяются на круглые и цилиндрические (рис. 5.4).

Круглые уровни служат для грубой, предварительной установки прибора в рабочее положение. Их точность часто значительно ниже точности рабочих цилиндрических уровней, используемых в том же приборе для точной установки осей.

Внутренняя часть стеклянной ампулы уровня имеет сферическую поверхность. Осью круглого уровня является вертикальная линия, проходящая через нуль пункт О перпендикулярно к плоскости, касательной к сферической поверхности в нуль-пункте. Осью цилиндрического уровня является линия, касательная к сферической поверхности в точке нуль-пункта.

Ампула цилиндрического уровня имеет деления через каждые 2 мм. Угол, на который необходимо наклонить ось уровня, чтобы его пузырек переместился на одно деление, называется ценой деления τ уровня, определяющей его точность. Из геометрических соображений:

τ = l/R*ρ, (5.4)

где l = 2 мм; ρ» = 206265″; R – радиус сферической поверхности ампулы.

Для того, чтобы изготовить уровень с ценой деления, например, 10″, необходимо сферическую поверхность ампулы выполнить с радиусом:

R = l*ρ»/τ» =  (2мм · 206265″): 10″ = 42 м.

В геодезических приборах используют цилиндрические уровни с ценой деления от 2″ до 20″, в зависимости от точности самого прибора.

Рис. 5.4. Уровни а) цилиндрический; б) круглый; в) контактный

При измерениях на местности в различных температурных условиях длина пузырька уровня изменяется. В связи с этим в конструкциях точных уровней предусмотрено регулирование длины пузырька. В одних случаях это обеспечивается с помощью дополнительной камеры в ампуле уровня, в которую можно удалить часть пузырька, либо дополнить его длину. В других случаях внутрь ампулы помещают инородное тело, которое при изменении температуры изменяет свой объем, компенсируя, тем самым изменение длины пузырька (компенсированные уровни).

В большинстве геодезических приборов (в основном – нивелиров) используют т.н. контактные уровни (рис. 5.4 в). Сверху ампулы 4 над концами пузырька размещают блок призм 2 и 3, который создает совмещенное изображение концов пузырька, направляемое на призму-лупу. Это изображение и наблюдается в зрительную трубу. Горизонтальное положение оси цилиндрического уровня соответствует совмещению концов пузырька в изображении.

В современных геодезических приборах (теодолитах и нивелирах) все большее применение находят компенсаторы наклонов, заменяющие цилиндрические уровни. В этом случае прибор снабжается только круглым уровнем, либо цилиндрическим уровнем сравнительно невысокой точности. При использовании таких уровней производят установку прибора в рабочее положение, при котором в рабочее положение выводится компенсатор наклона. В теодолитах компенсатор приводит в отвесное положение отсчетный индекс вертикального круга, по положению которого определяют значение места нуля (МО). В нивелирах компенсатор удерживает визирную ось зрительной трубы в положении, параллельном горизонтальной плоскости. В приборах вертикального проектирования компенсатор отрабатывает вертикальное направление визирной оси.

Рис. 5.5. Принцип работы компенсатора. Схема компенсатора

Принцип компенсации визирного луча геодезического прибора заключается в следующем (рис. 5.5). Если визирный луч занимает горизонтальное положение, то отсчет А не будет содержать погрешности. При наклоне прибора на некоторый угол горизонтальный луч смещается вверх или вниз относительно первоначального положения. Для того, чтобы отсчет по средней нити сетки не изменился, необходимо изменить положение сетки из положения С_о в положение С₁. Либо, с другой стороны, изменить направление горизонтального луча так, чтобы он снова попал на среднюю нить сетки. В первом случае компенсация осуществляется в механических компенсаторах, во втором – в оптико-механических компенсаторах.

Одна из схем компенсации поясняется на рис. 5.5 (правый рисунок). Эта схема реализована в нивелире Н3К-1. При наклоне прибора, например, против часовой стрелки на угол α центр сетки нитей сместится из положения С в положение С’. Зеркало 2 компенсатора подвешено на нитях 1 к корпусу прибора. При наклоне прибора это зеркало также наклонится относительно корпуса на угол 0,5α, в связи с чем луч АВ при отражении от зеркала 2 изменит свое направление на угол (90^о±α), т.е. его направление компенсируется – при отражении от зеркала 4 он попадет в то же место сетки нитей.

Существуют различные конструкции компенсаторов, в которых чувствительным элементом являются объективы (либо их часть), призмы, включенные в ход оптических лучей, сетки нитей и др. Чаще всего используют компенсаторы маятникового типа, в которых оптический элемент под действием силы тяжести занимает всегда одно и то же положение при возможных отклонениях осей прибора из-за внешних воздействий, либо из-за погрешностей установочного уровня. Чувствительный оптический элемент компенсатора в маятниковых системах подвешивается на специальных нитях, либо в осевых системах качения.