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水平仪是一种常用微小角度测量的精密仪器,广泛应用于水平角测量、导轨直线度与平行度检测、零部件平面度测量及精密机床、坐标测量机等设备的安装和调试。随着自动化和电子测量技术的发展,水平仪从传统低精度的气泡式发展到目前高精度、高分辨率的电子式水平仪,为制造领域角度量高精密测量提供了更可靠的方法。但是目前使用的绝大多数水平仪只能测量一维角度,难以实现水平面内俯仰角和滚动角的同时测量。本文基于光的折射、反射原理,并结合自准直原理成功设计并搭建出一种光路结构简单的二维测角光电水平仪,具有高精度、低成本、体积小等特点。该水平仪利用偏振分光镜和直角反射镜,将内部测量光束偏转90°,使得光强损失最小;针对光路中各光学元件设计了可靠的工装夹具;同时,为实现测量光路的精确快速调节,设计了角度锁定性能好、调整分辨率高的柔性铰链式二维角度调整模块;采用一体式框型外壳结构有效减小水平仪的结构变形;此外,基于LabVIEW图形化编程软件采用巴特沃斯滤波算法有效去除干扰噪声信号提升系统信噪比,极大提高了水平仪的测量稳定性。针对搭建好的二维测角光电水平仪,进行了相关测量性能评估实验,包括:水平仪标定实验、稳定性实验和测量重复性实验。实验结果表明:在±100″量程内光电水平仪X方向的标定残差为±0.6″,Y方向的标定残差为±0.5″;X方向漂移量为0.5″/h,Y方向漂移量为0.3″/h;测量重复性在0.4″以内。最后,将所设计的二维测角光电水平仪应用于平面度误差的测量,并提出了一种新的平面度误差测量方法。通过与国标中使用一维测角水平仪测量平面度误差方法的对比可得出:使用二维测角光电水平仪法测量平面度误差可大量减小测量次数,提高测量效率,该优势在中、大型平面的平面度误差测量中更加显著。