HEIDENHAIN光柵尺位移傳感器（簡(jiǎn)稱(chēng)光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置,。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中,，可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖,，具有檢測(cè)范圍大,，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn),。例如,，在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)觀察和跟蹤走刀誤差,，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用,。

光柵尺位移傳感器按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵和反射光柵,。光柵尺外觀

解析HEIDENHAIN光柵尺傳感器工作原理：

莫爾條紋

以透射光柵為例,，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度θ，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí),，在光源的照射下,，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋,。這種條紋稱(chēng)為“莫爾條紋” (右圖所示),。嚴(yán)格地說(shuō)，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直,。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱(chēng)為莫爾條紋的寬度,，以W表示,。莫爾條紋 W=ω /2* sin（θ/2）=ω /θ 。[1]　

莫爾條紋具有以下特征：

(1)莫爾條紋的變化規(guī)律

兩片光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距,，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋距離,。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù),，變化周期數(shù)與光柵相對(duì)位移的柵距數(shù)同步,。

(2)放大作用

在兩光柵柵線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度ω和光柵柵距W,、柵線角θ之間有下列關(guān)系,。式中，θ的單位為rad,，W的單位為mm,。由于傾角很小，sinθ很小,，則

W=ω /θ

若ω ＝0．01mm,，θ＝0.01rad，則上式可得W＝1,，即光柵放大了100倍,。莫爾條紋計(jì)算(3)均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線的光柵,，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋,，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻,、斷裂等造成的誤差,。　

檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理

光柵測(cè)量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位稱(chēng)量進(jìn)行測(cè)量,。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴,，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率,，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分,，目前（2006年）光柵尺位移傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí),，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋,，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng),。這樣就把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量,。

在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能,。例如,，柵線為50線對(duì)/mm的光柵尺,，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖,，這在工業(yè)普通測(cè)控中已達(dá)到了很高精度,。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測(cè)其大小,，又要檢測(cè)其方向,，因此至少需要兩路相位不同的光電信號(hào)。為了消除共模干擾,、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器,。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2只差分放大器輸入端,，從差分放大器輸出的兩路信號(hào)其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖,，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形,，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后,，通過(guò)對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較,，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過(guò)對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，可以得到光柵尺的位移和速度,。