针对高端装备制造中对大尺度机床误差测量与补偿的要求，本文基于光学自准直原理和液体表面反射原理，研制了一种二维光电水平倾角测量系统以实现对机床滚转角和俯仰角的测量。该系统使用半导体激光器发射激光，经光学自准直系统于待测硅油表面将被测倾角放大二倍。然后，由位置敏感探测器感测光斑位置变化，输出包含角度信息的光电流信号，并由低噪声四路同步微弱信号处理电路进行相同倍数的放大以减小误差。最终，由高速采集卡进行数据采集，经均值滤波、曲线拟合、解算处理后将其转化为倾角信息，从而实现二维角度测量。在光学平台进行了对比实验，结果表明：测量系统在-10～10 mm/m（约为-2 000″~2 000″）量程内，角度测量误差小于±0.050 mm/m（约为±10″），线性度优于0.25%，满足大尺度机床二维水平倾角检测对大量程、高精度、高稳定性的要求。