光柵作為檢測裝置，已歷史長久，可用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。
在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，被用來檢測直線位移、角位移和移動速度。用長光柵（或稱直線光柵）來測量直線位移，用圓光柵來測量角位移。將激光測長技術(shù)用于刻制光柵，可以制造出精度很高的光柵尺，因而使光柵檢測的分辨率與精度有了很大的提高，光柵檢測的分辨率可達(dá)微米級，通過細(xì)分電路細(xì)分可達(dá)0.1μm，甚至更高的水平。
1.光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)
光柵檢測裝置如圖1(a)所示，由光源1，透鏡2，指示光柵3，光電元件4，驅(qū)動電路5以及標(biāo)尺光柵6組成。前5個(gè)元器件安裝在同一個(gè)支架上，構(gòu)成光柵讀數(shù)頭，它固定在執(zhí)行部件的固定零件上，標(biāo)尺光柵則安裝在執(zhí)行部件的被測移動零件上。標(biāo)尺光柵與指示光柵的尺面應(yīng)相互平行，并保有0.05～0.1mm的間隙。執(zhí)行部件帶著標(biāo)尺光柵相對指示光柵移動，通過讀數(shù)頭的光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，用作位置反饋信號或位置顯示信號。
圖1(a) 光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)
圖1(b) 光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù)
光柵尺
光柵尺指的是標(biāo)尺光柵和指示光柵，根據(jù)制造方法和光學(xué)原理的不同，光柵可分為透射光柵和反射光柵。透射光柵是在經(jīng)磨制的光學(xué)玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。這種光柵的特點(diǎn)是：光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此信號幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器（光柵讀數(shù)頭）的結(jié)構(gòu)簡單；同時(shí)光柵每毫米的線紋數(shù)多，如刻線密度為200線/mm時(shí)，光柵本身就已經(jīng)細(xì)分到0.005mm，從而減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。其缺點(diǎn)是：玻璃易破裂，熱脹系數(shù)與機(jī)床金屬部件不一致，影響測量精度。反射光柵是用不銹鋼帶經(jīng)照相腐蝕或直接刻線制成，金屬反射光柵的特點(diǎn)是：光柵和機(jī)床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，增加光柵尺的長度很方便，可用鋼帶做成長達(dá)數(shù)米的長光柵。反射光柵安裝在機(jī)床上所需的面積小，調(diào)整也很方便，適應(yīng)于大位移測量的場所。其缺點(diǎn)是：為了使反射后的莫爾條紋反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜過多，常用線紋數(shù)為4、10、25、40、50。
上述為直線光柵，此外還有測量角位移的圓光柵，圓光柵刻有輻射形的線紋，相互間的夾角相等。根據(jù)不同的使用要求，在圓周內(nèi)線紋的數(shù)制也不相同，一般有二進(jìn)制、十進(jìn)制和六十進(jìn)制等三種形式。如一種直徑為ф270mm，360進(jìn)制的圓光柵，一周內(nèi)有刻線10,800條。
光柵線紋是光柵的光學(xué)結(jié)構(gòu)，相鄰兩線紋間的距離稱為柵距ω，可根據(jù)所需的測量分辨率來確定單位長度上的刻線數(shù)目稱為線紋密度，常見的線紋密度為每毫米4、10、25、50、100、200、250線。國內(nèi)機(jī)床上一般采用線紋密度為100線/mm、200線/mm的玻璃透射光柵。玻璃透射光柵尺的長度一般都在1～2m，測量長度在2m以內(nèi)。在位移長度大的重大型機(jī)床上只能采用不銹鋼帶做成的反射光柵。
光柵讀數(shù)頭
光柵讀數(shù)頭與標(biāo)尺光柵配合起光電轉(zhuǎn)換作用，將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出。圖4-16(a)所示的由元器件1～5組成的讀數(shù)頭為垂直入射讀數(shù)頭。此外還有分光讀數(shù)頭、鏡像讀數(shù)頭和反射讀數(shù)頭等。
莫爾條紋
指示光柵與標(biāo)尺光柵的節(jié)距同為ω，兩塊光柵的刻線面平行放置，并將指示光柵在其自身平面內(nèi)傾斜一個(gè)很小的角度θ，兩塊光柵的刻線將會相交，當(dāng)光源照射時(shí)，在線紋相交鈍角的平分線方向會出現(xiàn)明暗交替相間的間距相等的條紋，即莫爾條紋，如圖4-16(b)所示。原因是由于光的干涉效應(yīng)，在交點(diǎn)a 線附近，兩塊光柵的刻線相互重疊，光柵上的透光狹縫互不遮擋，透光最強(qiáng)，形成亮帶；在b 線附近，一塊光柵不透光部分正好遮蓋住另一光柵的透光隙縫，透光最差，形成暗帶。相鄰兩條亮帶或暗帶之間的距離w 稱為莫爾條紋的節(jié)距。圖4-16(b)所示為莫爾條紋節(jié)距w 與光柵節(jié)距ω和傾角θ之間的關(guān)系。
其中
因此 ，
由于θ很小，θ單位為rad時(shí)，
，
故
莫爾條紋有如下特點(diǎn)：
放大作用
光柵節(jié)距雖小，莫爾條紋的節(jié)距卻有幾個(gè)毫米，因而莫爾條紋清晰可見，便于測量。
誤差均化作用
莫爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣可使柵距的節(jié)距誤差得到平均化。
利用莫爾條紋測量位移
莫爾條紋的移動距離與光柵的移動距離成比例，光柵橫向移動一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋正好沿刻線上下移動一個(gè)節(jié)距w，或者說在光柵刻線上的某一位置，如圖1(b)的a線處，莫爾條紋明-暗-明變化一個(gè)周期，這為光電元件的安裝與信號檢測提供了良好的條件。此外光柵的移動方向與莫爾條紋的移動方向也有固定的關(guān)系。如指示光柵相對于標(biāo)尺光柵逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)一個(gè)小角度＋θ，當(dāng)標(biāo)尺光柵右（左）移時(shí)，則莫爾條紋下（上）移。相反，指示光柵順時(shí)針方向轉(zhuǎn)一小角度-θ，當(dāng)標(biāo)尺光柵右（左）移時(shí)，則莫爾條紋上（下）移。根據(jù)莫爾條紋的移動方向可以辨別光柵的移動方向。