Оптичні системи вимірювання та керування, розроблені на основі різноманітних принципів, за якими світловий потік взаємодіє з фотоелектричними компонентами, дуже різноманітні. За характером вихідного сигналу, що генерується фотоелектричними компонентами (або системою в цілому), ці системи можна розділити на дві категорії: аналогові фотоелектричні датчики та імпульсні (або комутаційні) фотоелектричні датчики. Аналоговий фотоелектричний датчик перетворює виміряну величину в безперервно змінний фотострум, встановлюючи унікальний однозначний-зв’язок між виміряною величиною та вихідним сигналом. Залежно від методу, який використовується для вимірювання (або виявлення) цільового об’єкта, аналогові фотоелектричні датчики можна далі класифікувати на три основні типи: тип пропускання (поглинання), тип дифузного відбиття та тип -блокування світла (переривання променя). «Тип передачі» відноситься до конфігурації, коли об’єкт вимірювання розміщено в межах оптичного шляху; світлова енергія, випромінювана постійним джерелом світла, проходить через об’єкт-причому частина поглинається-перед тим, як світло, що пройшло, потрапляє на фотоелектричний компонент. «Тип дифузного відбиття» передбачає постійне джерело світла, що випромінює світло на вимірюваний об’єкт, після чого світло дифузно відбивається від поверхні об’єкта та згодом потрапляє на фотоелектричний компонент. «Тип-блокування світла» описує сценарій, коли світловий потік, випромінюваний джерелом світла, частково перешкоджає вимірюваному об’єкту, таким чином змінюючи кількість світлового потоку, що падає на фотоелектричний компонент; величина цієї зміни безпосередньо пов’язана з положенням об’єкта на оптичному шляху.
Фотодіод є найпоширенішим типом оптичного датчика. Фізично фотодіод нагадує звичайний діод. За відсутності освітлення він поводиться як звичайний діод, виявляючи дуже малий зворотний струм, відомий як «темновий струм». Під дією світла носії заряду збуджуються, утворюючи електронні -діркові пари, які називаються «фотоносіями». Під впливом зовнішнього електричного поля ці фотоносії беруть участь в електропровідності, породжуючи зворотний струм, значно більший за темновий; цей результуючий струм називається «фотострумом». Величина фотоструму прямо пропорційна інтенсивності падаючого світла; отже, електричний сигнал, який змінюється відповідно до змін інтенсивності світла, може бути отриманий через навантажувальний резистор.
Окрім здатності перетворювати оптичні сигнали в електричні-функцію, спільну з фотодіодами-, фототранзистор також має відмінну здатність посилювати ці електричні сигнали. Фізичний вигляд фототранзистора мало чим відрізняється від звичайного транзистора. Як правило, фототранзистор має лише два зовнішні виводи-емітер і колектор-, тоді як провід бази не під’єднується всередині. Корпус пристрою має прозоре вікно, яке забезпечує проникнення світла. Щоб максимізувати поглинання світла, площа поверхні базової області робиться значно більшою, ніж область випромінювача; отже, падаюче світло в основному поглинається в базовій області. Під час роботи колекторний-базовий перехід має зворотне-зміщення, тоді як емітерний-базовий перехід має пряме-зміщення. За відсутності світла струм, що протікає через пристрій, відомий як «темновий струм» (Iceo=(1 + ) Icbo); цей струм надзвичайно малий-навіть нижчий, ніж струм витоку в стандартних транзисторах. Під дією світла утворюється велика кількість електронно-пар дірок, що призводить до збільшення базового струму (Ib). Струм, що протікає через пристрій за цих умов, називається «фотострумом», а струм емітера визначається як Ie=(1 + ) Ib. Таким чином, очевидно, що фототранзистор має більш високу чутливість, ніж фотодіод.
Принцип дії
Фотоелектричний датчик забезпечує контроль, перетворюючи варіації інтенсивності світла у відповідні зміни електричних сигналів.
Як правило, фотоелектричний датчик складається з трьох основних компонентів: передавача, приймача та схеми виявлення.
Передавач випромінює промінь світла, спрямований на цільовий об'єкт. Цей світловий промінь зазвичай генерується напівпровідниковим джерелом світла-таким як світло-діод (LED), лазерний діод або інфрачервоний діод. Світловий промінь може випромінюватися безперервно або модулюватись через зміну-широти імпульсу. Вузол приймача зазвичай містить такі компоненти, як фотодіоди, фототранзистори або фотоелементи. Оптичні елементи-такі як лінзи та діафрагми-розташовуються перед приймачем, щоб кондиціонувати вхідне світло. За приймачем розташована схема виявлення, яка слугує для фільтрації відповідного сигналу та обробки його для практичного застосування.