光栅传感器工作原理、应用领域及国产替代需求如何？

高精度编码器打破海外垄断，持续受益于市场扩容+国产替代。

1、光栅编码器属于高精度传感器，是控制系统中的核心部件

光栅传感器可测量线性和角度位移，精度可达到纳米级别。光栅传感器是集光、 机、电、算技术于一体的高精度位移传感器，被比喻为“数控机床的眼睛”。光栅传 感器可以检测机械运动，并转换为电信号进行输出。对比同步感应器、磁栅传感器， 光栅传感器的最小分辨率达到 1nm，在高精度测量领域应用更为广泛。光栅传感器包括光栅尺和编码器，二者均是基于莫尔条纹与光电转换原理工作， 不同的是光栅尺采用直光栅，其主光栅安装于动力传动终端，可直接反馈直线位移， 控制精度更高，常用于高精度机床。而编码器采用圆光栅，测量的是角位移，直线 位移则是通过计算得到，属于半闭环控制，常用于中低端机床中。

光栅传感器基于莫尔条纹与光电转换原理工作： （1）光栅尺：包括主光栅（标尺光栅）、副光栅（指示光栅或扫描光栅）、光 源、透镜、光电接收装置等，主光栅可以用在动力传动的终端（机床刀具等），当 主副光栅发生相对位移时，通过光的衍射和干涉可形成规则条纹形状，基于光电设 备转换，可将黑白相同的条纹转换为正弦波变化的电信号，并通过放大器放大，整 形电路整形，获得正弦波或方波差异显示计数。 （2）编码器：包括光栅盘、固定光栅、光电检测装置等组成，当电动机旋转 时，光栅盘与电动机以相同速度旋转，光栅盘与固定光栅发生相对位移，产生莫尔 条纹，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算 每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

2、下游应用广泛，高端数控机床与人形机器人打开市场空间

光栅编码器作为高精度测量装置，下游应用范围广泛，主要包括数控机床、机器人、半导体生产设备、医疗设备、航空航天、国防军工等领域。

2.1、数控机床：光栅尺是数控机床的“眼睛”，国产替代带来发展机遇光栅尺是数控机床的“眼睛”，对提升数控机床精度具有重要意义。

光栅尺作为 数控机床直线轴的位置检测元件，可“监视”直线轴在执行数控系统的移动命令后， 该直线轴是否真正准确地运行到数控系统，若未安装光栅尺，则只能完全依靠数控 系统调试的精度和机械传动精度来保障，并且需要定期对机床的精度进行检查，一 旦忘记检测数控机床的精度，则很可能导致加工产品精度超差甚至报废。光栅尺可显著降低数控机床加工时的误差。在数控机床加工过程中，传动机构 会产生传动误差，在高速运转时会产生热变形误差和磨损误差。在实际加工过程中， 这些误差会严重影响数控机床的加工精度与稳定性。直线光栅尺对数控机床各直线 坐标轴进行全闭环控制，减少了上述误差，提高了定位精度。光栅编码器在数控机床中的位置分布：包括主轴、刀架、伺服进给系统、分度 盘等，以五轴数控机床为例，三个直线轴和两个旋转轴需对应配套三个光栅尺和两 个角度编码器。

绝对式光栅尺效率高，是多轴数控机床未来发展方向。同增量式光栅尺相比， 安装绝对光栅尺的机床可在重新开机后无需执行参考点回零操作，可在中端后马上 开始原来加工程度，显著提升了有效加工时间，更适合于多轴数控机床。国内数控机床向高端化发展。目前我国机床产业呈现“大而不强”的局面，高端 数控机床的国产化率还比较低，智研咨询数据显示，2019 年我国高端数控机床国产 化率仅为 6%，中端数控机床国产化率为 68%，低端数控机床国产化率为 85%，在 国家安全自主可控政策驱动下，我国高端数控机床国产化率有望提升，国内高精度 编码器如绝对式光栅尺迎来发展机遇。

2.2、机器人：编码器是伺服控制系统核心部件，人形机器人带来行业增量

伺服系统是机器人驱动系统中的核心零部件，编码器通过伺服系统应用于机器 人领域。对于伺服电机而言，编码器起着重要的作用。伺服电机由无刷直流或交流 电机、编码器、驱动器组成。 编码器对伺服电机的作用：（1）测转速以控制速度。为使无刷直流电动机或交 流电动机的转速保持恒定，需要编码器来检测转速，并通过伺服放大器来控制转速； （2）测角度以控制转角。为精准控制电动机的旋转角度，需要编码器来检测旋转 的角度。

根据目前机器人技术方案，伺服系统已成为机器人驱动系统中的核心零部件， 编码器重要性逐步凸显。随着我国工业自动化的发展，工业机器人在铸造、锻压、 焊接等行业应用逐步广泛，机械制造业对工业机器人控制精度也提出更高的要求， 如工业机器人在汽车组装线上进行焊接、保重工件的搬运，在部分任务执行中，工 业机器人位置进度难以满足工业生产需要，高性能编码器可圆满解决这一问题。

工业机器人行业发展推动编码器需求逐步旺盛。工业机器人中技术难度最大的 三大零部件分别为减速器、伺服系统和控制器，其中伺服系统占工业机器人成本的 25%，而伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、编码器组成，编码器占伺服系统成本 的 11%。我们认为一方面随着伺服电机小型化需求逐步旺盛，高精度、小型化且价 格低的编码器具备发展市场，另一方面，随伺服系统规模逐步提升，编码器市场空 间也有望逐步提升。人形机器人持续催化，相关产业持续受益。2022 年 9 月，特斯拉推出 Optimus （擎天柱）原型机，目标价低于 2 万美元，相比传统工业机器人，未来人形机器人 将拥有比汽车更大的市场空间，因为人形机器人理论上可以完成所有人类进行的非 标任务。

特斯拉机器人全身共使用 40 个关节执行器（又称为关节模组）。关节执行器是 模仿人体的关节而诞生，最早由美国科尔摩根公司发明，供应给协作机器人厂商。 特斯拉机器人关节模组使用的数量和目前全球领先的人形机器人基本一致，可以在 机器人运动过程中实现稳态控制。随着特斯拉机器人在形态越来越接近人类，使用 的关节模组数量或将进一步增长，带动核心部件的市场空间持续增长。特斯拉人形机器人在旋转关节、线性关节、手部关节均有编码器。 （1）旋转关节：采用高低速双编码器。输出侧和电机侧各有一个编码器。输 出侧编码器用于测量输出位置的变化，电机侧编码器用于计算得到输出轴的理论位 置，与输出侧编码器的数据进行对比，得到外部受力大小，从而交付驱动器进行后 续控制。

（2）线性关节：采用无框电机+新型滚珠丝杠+力传感器+位置传感器（编码 器）。特斯拉机器人全身使用 14 个线性执行器（伺服电缸），在早期阶段，位置传 感器占线性关节成本的 2.2%。 （3）手部关节：由空心杯电机+螺纹丝杠+精密行星齿轮箱+编码器构成。特斯 拉手部关节使用 14 微型的线性执行器（伺服电缸），内部通过高速运转的空心杯电 机（小功率段体积最小、功率密度最高的电机）提供动力。2027 年中国光栅尺市场空间预计为 19.7 亿元，复合增速为 7%。Global Info Research 数据显示，预计 2020 年-2026 年全球光栅尺收入将由 6.18 亿美元增长至 7.16 亿元，复合增速为 3.7%。预计 2020 年-2027 年中国光栅尺收入将由 10.3 亿元 增长至 19.7 亿元，复合增速为 7%。

2028 年中国光学编码器市场空间预计为 7.4 亿美元，复合增速为 9.9%。尚普 咨询数据显示，2022 年-2028 年，预计全球光学编码器市场销售额将由 42 亿美元提 升至 67 亿美元，年复合增长率为 8.1%；预计中国光学编码器市场规模将由 4.2 亿 美元提升至 7.4 亿美元，年复合增长率为 9.9%，中国光学编码器市场空间复合增速 高于全球。

3、高端光栅编码器壁垒高，国产替代需求强烈

光栅编码器属于高精度测量仪器，超高精的产品一直被西方国家列入限制出口 的产品目录，对我国的购买进行严格控制。 高端编码器行业既有技术门槛又有制造门槛，因此国内高端光栅编码器一直依 赖于进口。国内光栅编码器厂商：包括广州诺信、桂林广陆、莱格光电等，工控企业汇川 技术、埃斯顿、昊志机电也均已实现编码器的自研，但主要以自用和中低端为主。 目前，奥普光电下属的禹衡光学研发的高端光栅尺已进入小批量生产阶段，有望对 海外高端产品实现替代。 海外光栅编码器厂商：包括海德汉、雷尼绍、发格公司等，其中海德汉是该领 域龙头公司，截至 2021 年底，封闭式玻璃载体绝对式光栅尺 95%以上市场空间由 海德汉占据。海外编码器的主要生产企业还有日本多摩川，在中国市场市占率较高。

国产光栅编码器的精度和综合性能同国外差距较大，高端市场一直被海外企业 占据。（1）编码器：根据 MIR 统计，按销售额计算，2022 年我国编码器 42%的市场 被多摩川、海德汉两家外资厂商占据，国内厂商禹衡光学市场占比 8%，位列第三。 （2）光栅尺：根据 MIR 数据，光栅尺市场基本被多摩川、雷尼绍、北京发格 （母公司西班牙发格）等外资厂商占据。