角度测量在精密制造、水利工程、航空航天、能源钻探等领域发挥着重要作用,精密制造技术的迅速发展对角度测量仪器的分辨力、精度、功耗、稳定性等提出了新的要求。现有的电子水平仪大多基于自由悬挂摆锤结构,结合电感或电容传感器进行测量,分辨力和精度较高,但机械结构和检测电路较为复杂,成本相对较高。因此本文提出了一种柔性铰链和差动电容相结合的倾角传感结构,对倾角传递结构、倾角检测方法、信号采集处理等关键技术开展研究,研制了一种结构简单、线性度好、分辨力高的水平仪样机并进行了实验验证,主要工作如下:1、针对水平仪低功耗、高分辨力设计需求,综合对比分析了固体摆、气体摆、液体摆等倾角传递结构以及光纤式、电感式、电容式等倾角检测方法,确定了基于差动电容原理的固体摆式倾角传感器基本结构,并结合数字电容测量方法设计了整体方案。2、针对传统固体摆输出结果受横轴倾角影响较大等问题,推导了各轴倾角对摆体的影响模型以及系统一阶固有频率的理论计算公式,提出了测量灵敏度及横轴倾角误差的评价方法。使用刚度可控、运动平稳的柔性铰链作为弹性连接元件进行角度传递并对其复杂的柔度计算式进行了拟合简化,大大缩短了计算时间。建立了基于柔性铰链结构的固体摆测量灵敏系数、横轴倾角误差系数以及一阶固有频率的多目标优化模型并进行了优化,在保证灵敏度的前提下有效降低了横轴倾角的影响,提高了系统的抗干扰能力。3、根据优化后的弹性元件结构参数设计了差动电容式倾角传感器,对整体结构的输入量测量轴倾角和输出量差动电容进行了线性关系评定,为后续标定实验提供支撑。对整体结构进行了温度有限元仿真,讨论了电路功耗对整体结构温度分布的影响;为降低结构温度分布差异过大引起的变形误差,设计了基于数字电容测量芯片的低功耗电容信号采集系统。4、研制了基于柔性铰链连接的差动电容式水平仪样机并开展了实验,结果表明仪器在±1000″的量程内线性度优于0.1%,重复性误差优于0.05%;分析了水平仪样机倾角测量结果的主要误差来源并对测量结果进行了不确定度评定。