Optische Mess- und Steuerungssysteme, die auf den unterschiedlichen Prinzipien der Wechselwirkung von Lichtstrom und fotoelektrischen Komponenten basieren, sind sehr vielfältig. Basierend auf der Art des von den fotoelektrischen Komponenten (oder dem System als Ganzes) erzeugten Ausgangssignals können diese Systeme grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: analoge fotoelektrische Sensoren und fotoelektrische Impulssensoren (oder schaltende). Ein analoger fotoelektrischer Sensor wandelt die gemessene Größe in einen sich kontinuierlich ändernden Fotostrom um und stellt so eine eindeutige, einwertige Beziehung zwischen der gemessenen Größe und dem Ausgangssignal her. Basierend auf der Methode zur Messung (oder Erkennung) des Zielobjekts können analoge fotoelektrische Sensoren weiter in drei Haupttypen eingeteilt werden: Transmissionstyp (Absorption), Typ mit diffuser Reflexion und Typ mit Lichtblockierung (Strahlunterbrechung). Der „Übertragungstyp“ bezieht sich auf eine Konfiguration, bei der das zu messende Objekt im optischen Pfad platziert wird; Von einer Konstantlichtquelle emittierte Lichtenergie durchdringt das Objekt-wobei ein Teil absorbiert wird-bevor das durchgelassene Licht auf die fotoelektrische Komponente trifft. Beim „diffusen Reflexionstyp“ emittiert eine konstante Lichtquelle Licht auf das zu messende Objekt, woraufhin das Licht diffus von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird und anschließend auf die fotoelektrische Komponente trifft. Der „Lichtblockierungstyp“ beschreibt ein Szenario, bei dem der von der Lichtquelle emittierte Lichtstrom teilweise durch das zu messende Objekt blockiert wird, wodurch sich die Menge des auf die fotoelektrische Komponente einfallenden Lichtstroms ändert; Das Ausmaß dieser Änderung steht in direktem Zusammenhang mit der Position des Objekts im optischen Pfad.
Die Fotodiode ist der gebräuchlichste Typ optischer Sensoren. Physikalisch ähnelt eine Fotodiode einer Standarddiode. Ohne Beleuchtung verhält sie sich wie eine herkömmliche Diode und weist einen sehr kleinen Sperrstrom auf, der als „Dunkelstrom“ bekannt ist. Wenn es Licht ausgesetzt wird, werden Ladungsträger angeregt, wodurch Elektronen-{3}Lochpaare entstehen, die als „Phototräger“ bezeichnet werden. Unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes beteiligen sich diese Fototräger an der elektrischen Leitung, wodurch ein Rückstrom entsteht, der deutlich größer ist als der Dunkelstrom; Dieser resultierende Strom wird als „Photostrom“ bezeichnet. Die Größe des Photostroms ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts; Folglich kann über einen Lastwiderstand ein elektrisches Signal erhalten werden, das sich entsprechend den Änderungen der Lichtintensität ändert.
Neben der Fähigkeit, optische Signale in elektrische Signale umzuwandeln-eine Funktion, die auch Fotodioden haben-, verfügt der Fototransistor auch über die besondere Fähigkeit, diese elektrischen Signale zu verstärken. Das äußere Erscheinungsbild eines Fototransistors unterscheidet sich kaum von dem eines Standardtransistors. Typischerweise verfügt ein Fototransistor nur über zwei externe Anschlüsse-den Emitter und den Kollektor-, während der Basisanschluss intern unbeschaltet bleibt. Das Gehäuse des Geräts ist mit einem transparenten Fenster ausgestattet, das den Lichteinfall ermöglicht. Um die Lichtabsorption zu maximieren, wird die Oberfläche des Basisbereichs deutlich größer gemacht als die des Emitterbereichs; Folglich wird einfallendes Licht hauptsächlich im Basisbereich absorbiert. Während des Betriebs ist der Kollektor--Basis-Übergang in Sperrrichtung-vorgespannt, während der Emitter--Basis-Übergang in Vorwärtsrichtung-vorgespannt ist. In Abwesenheit von Licht wird der durch das Gerät fließende Strom als „Dunkelstrom“ (Iceo=(1 + ) Icbo) bezeichnet. Dieser Strom ist extrem klein-sogar niedriger als der Leckstrom, der in Standardtransistoren auftritt. Bei Lichteinwirkung wird eine große Anzahl von Elektronen--Loch-Paaren erzeugt, was zu einem Anstieg des Basisstroms (Ib) führt. Der unter diesen Bedingungen durch das Gerät fließende Strom wird als „Photostrom“ bezeichnet, wobei der Emitterstrom durch Ie=(1 + ) Ib gegeben ist. Somit ist ersichtlich, dass ein Fototransistor im Vergleich zu einer Fotodiode eine höhere Empfindlichkeit besitzt.
Funktionsprinzip
Ein fotoelektrischer Sensor erreicht die Steuerung, indem er Schwankungen der Lichtintensität in entsprechende Änderungen elektrischer Signale umwandelt.
Im Allgemeinen besteht ein fotoelektrischer Sensor aus drei Hauptkomponenten: einem Sender, einem Empfänger und einer Erkennungsschaltung.
Der Sender sendet einen Lichtstrahl aus, der auf ein Zielobjekt gerichtet ist. Dieser Lichtstrahl wird typischerweise von einer Halbleiterlichtquelle-wie einer Leuchtdiode (LED), einer Laserdiode oder einer Infrarot-emittierenden Diode erzeugt. Der Lichtstrahl kann kontinuierlich oder durch Pulsbreitenvariation moduliert ausgesendet werden. Die Empfängerbaugruppe umfasst typischerweise Komponenten wie Fotodioden, Fototransistoren oder Fotozellen. Optische Elemente-wie Linsen und Blenden-werden vor dem Empfänger positioniert, um das einfallende Licht aufzubereiten. Hinter dem Empfänger befindet sich die Erkennungsschaltung, die dazu dient, das relevante Signal herauszufiltern und für die praktische Anwendung aufzubereiten.