光栅传感器是一种利用光学原理进行高精度位移测量的非接触式传感器，其核心工作原理基于光栅的几何光学特性和莫尔条纹现象。以下是其工作过程的分步详解：

核心部件：

1. 光源： 通常为LED或激光二极管，提供稳定的平行光束。
2. 标尺光栅： 固定在被测物体上（或测量路径上），表面刻有密集的、等间距的透光或不透光刻线（光栅常数d₁）。
3. 指示光栅（或读数头）： 安装在传感器的读数头内，与标尺光栅平行且非常接近（0.1mm左右）。它也有类似密度的刻线（光栅常数d₂ ≈ d₁），但通常刻线方向与标尺光栅刻线有一个微小的夹角θ（最常见的是d₁ = d₂）。
4. 光电探测器： 通常由多个光敏元件（如光电二极管或光电池）组成，用于接收通过光栅后的光信号并转换为电信号。

工作原理步骤：

1. 光线通过与干涉：

   • 光源发出的光照射到标尺光栅上。
   • 光线在通过标尺光栅的透光缝隙后，继续射向与之平行紧贴的指示光栅。
   • 当光线通过两片重叠的光栅时，光线会受到两片光栅刻线的共同调制。虽然光栅传感器的基本原理通常用几何光学的光线遮挡与透过（而非严格的物理光学干涉）来解释宏观的莫尔条纹现象，但在微观层面，光的衍射效应也会参与其中。

2. 莫尔条纹的形成：

   • 这是光栅传感器工作的关键！当两个具有相近周期（d₁ ≈ d₂）的光栅重叠，且其刻线方向存在一个微小夹角θ时，就会产生一种明暗相间的宽带条纹，称为莫尔条纹。
   • 莫尔条纹方向： 莫尔条纹的方向垂直于两光栅刻线夹角的角平分线（近似垂直于刻线方向）。
   • 莫尔条纹间距： 莫尔条纹的间距W远大于单个光栅的刻线间距d。
   • 放大作用： 莫尔条纹间距与光栅常数d和夹角θ的关系近似为：W ≈ d / θ （θ以弧度计）。由于θ非常小（通常只有几度或更小），因此W >> d。这意味着标尺光栅移动一个很小的光栅间距d，会引起一个宽很多的莫尔条纹在垂直方向（相对于条纹本身）上移动一整条明纹或暗纹的间距W。这就对微小的位移进行了光学放大！

3. 光强变化与信号转换：

   • 当标尺光栅相对于指示光栅发生直线位移时，两片光栅的相对位置发生微小变化（移动距离远小于d）。
   • 这种微小的位移会导致通过这对光栅组合的光通量（光强）发生显著变化。当移动距离达到光栅常数d的若干分之一时，莫尔条纹看起来就像是在垂直于其方向上“移动”了一个距离。莫尔条纹整体亮暗空间分布相对探测器位置发生了平移。
   • 光电探测器（通常位于指示光栅后方）探测到这种周期性的光强变化（亮->暗->亮…）。

4. 位移-电信号转换与方向判别：

   • 探测器将周期性的光强变化转换成周期性的电信号（通常为近似正弦波或方波）。
   • 位移量与脉冲数： 标尺光栅每移动一个光栅间距d，通过光栅的光强就经历一个完整周期的变化（对应于莫尔条纹在探测器阵列上移动了一个W），探测器就输出一个周期的电信号。因此，通过测量输出电信号的周期数（脉冲数），就可以精确知道移动了多少个d。
   • 提高分辨率 - 电子细分： 实际光栅常数d可能为10μm或20μm。为了测量亚微米级甚至纳米级的位移，需要采用电子细分技术。通过对一个正弦周期（对应d的位移）内的信号进行高速、高精度采样和处理（如4细分、10细分、100细分甚至更高），将正弦信号分解成许多小的电压变化区间。每个细分区代表了一部分d的位移，从而大大提高了测量分辨率。
   • 方向判别： 通常使用包含两组或多组探测器（如90°相位差的两组，称为“四裂相指示光栅”）。这两组探测器输出的信号相位差90°（一个正弦Sin，一个余弦Cos）。通过比较这两个信号的相位关系（哪个超前，哪个滞后），就可以判断出标尺光栅是向前移动还是向后移动。

总结：

光栅传感器通过标尺光栅和指示光栅的相对位移，利用莫尔条纹的光学放大效应，将微小的线位移（或角位移，使用径向光栅）转换成周期性变化的光信号，再经光电探测器转换为周期性变化的电信号。通过计数电信号的周期数（脉冲数），并结合电子细分技术，可以精确测量位移量（分辨率可达亚微米甚至纳米级）。同时，利用相位差为90°的多路信号可以判别移动方向。

主要优点：

• 非接触测量，无摩擦磨损。
• 精度高、分辨率极高。
• 量程范围大（可达几米）。
• 响应速度快。
• 对环境（灰尘、油污等）有一定容忍度（相比光学干涉仪）。

主要应用：

• 数控机床（CNC）、加工中心的精密位置反馈。
• 坐标测量机。
• 精密仪器校准。
• 光刻机平台定位。
• 投影仪镜头位移测量。
• 各种需要精密直线位移或角度测量的场景。

理解莫尔条纹的形成、放大作用以及相位差90°信号在计数和方向判别中的应用，是掌握光栅传感器工作原理的核心。