水平仪作为一种小角度测量仪器，经历了从过去简单的气泡水平仪到现在的电子水平仪，在桥梁架设、铁路铺设、工业自动化、智能平台、机械加工等领域已经成为不可缺少的工具。但国内的电子水平仪生产和研制能力与国外的产品还存在一定的差距，研究低价位，高性能的电子水平仪仍然具有很重要的意义。 本文研究了现有电子水平仪成本居高的原因后，重新对机械机构和测量电路进行了设计。机械结构首先采用PRO/E进行三维建模，建模过程中设计了机械放大结构、可调检测区间结构，并进行空间干涉分析。模型建立后，使用MATLAB编制程序进行了非线性放大倍数计算，得出检测角度与倾斜角度之间的非线性方程。在检测电路设计中，首先对多种角位移传感器进行了对比分析，确定本系统的角位移传感器。然后对AD芯片进行选择和确定，使用PROTEL99对稳压电源电路，微处理器外围电路，红外发射接收电路都进行了相关设计，焊制了相应的电路，编制数据计算程序，通过软件调试，系统完成检测功能。另外本文对系统的功能进行了一定的扩展，拓宽了该电子水平仪的应用场合。最后对测量精确度进行了实验分析，得出了0～5度区间的误差补偿量公式，同时分析了误差存在原因，计算了零件尺寸误差对机械放大装置放大倍数的影响，并提出相应的改进措施。数据检测过程中发现减小机械零部件尺寸误差和安装误差对提高测量精度有明显效果，在接触式测量中，减小接触副处摩擦力对提高系统灵敏度和减小测量误差效果明显。整个研究过程中一直注重成本控制，配合一定的机械放大装置和高分辨率转换电路对提高系统分辨率、测量精确度、降低成本有显著效果。本文所研究的分辨率超过3'的二自由度电子水平仪可以实现倾斜角和方位角同时提取，解决了传统水平仪无法解决的问题，对民用测量领域有重要意义。