高精度二维角度测量技术是精密仪器科学的重要研究内容之一。近些年来,随着微纳制造和精密测量技术的发展,测量仪器在几何计量、先进制造、误差检测等领域应用越来越广泛。在数控机床误差检测领域,利用包含二维角度传感器的测量系统检测运动轴的几何误差并进行补偿可以有效提高机床加工精度。目前这些检测系统中的二维测角仪器存在体积大或精度低等问题,因此,研制一种高精度、小型化、低成本的二维角度传感器,应用于机床几何误差检测领域,具有重要实际意义。本课题基于以上需求,利用内反射原理研制了二维角度传感器样机,实现了二维角度在线测量。主要完成了以下工作:1、通过对内反射理论仿真分析,探究了p光（电矢量平行于入射面）和s光（电矢量垂直于入射面）的差异,用仿真数值验证了初始入射角、内反射次数对测量范围和测量灵敏度的影响,分析了原理性非线性误差的影响因素,确定了传感器的测量光选择、内反射次数等指标,利用光束分光和差分测量光路设计了二维小角度测量方案。2、完成了内反射角度传感器的机械结构设计和光学元器件选型。传感器在98 mm×94 mm×86 mm的空间内集成了多个机械件和光学元件,实现了测量装置小型化。分析了初始入射角偏移、耦合测角、分光比误差、杂散光等因素对测角带来的影响。3、研制了光电信号采集和处理电路,包含正负输出低噪声电源、模拟信号放大调理、多通道同步A/D采集、串口发送与下载等电路。采用低温漂电阻、漏电流防治以及高精度电源供电等措施,实现了传感器多通道光电信号的高精度采集,无软件滤波情况下光电信号采集噪声峰峰值为0.456 m V,差分信号采集噪声峰峰值为0.608 m V。编写测量软件,实现二维角度数据的实时显示和存储等功能。4、搭建传感器标定和实验测试平台,完成了光路调节和“零位平面”校准,标定了传感器的测量精度、分辨力、重复性、输出噪声和温漂等数据。实验表明传感器在±300角秒量程内测角分辨力优于0.05角秒,测量重复性优于±0.6角秒,漂移为0.7角秒/小时。三次谐波补偿后水平维测角精度优于±1.7角秒,垂直维测角精度优于±1.6角秒。