Os sistemas ópticos de medição e controle, projetados com base nos diversos princípios pelos quais o fluxo luminoso interage com os componentes fotoelétricos, são altamente diversos. Com base na natureza do sinal de saída gerado pelos componentes fotoelétricos (ou pelo sistema como um todo), esses sistemas podem ser amplamente classificados em duas categorias: sensores fotoelétricos analógicos e sensores fotoelétricos de pulso (ou comutação). Um sensor fotoelétrico analógico converte a quantidade medida em uma fotocorrente continuamente variável, estabelecendo uma relação única e-de valor único entre a quantidade medida e o sinal de saída. Com base no método usado para medir (ou detectar) o objeto alvo, os sensores fotoelétricos analógicos podem ser categorizados em três tipos principais: tipo de transmissão (absorção), tipo de reflexão difusa e tipo de bloqueio de luz (interrupção do feixe). O “tipo de transmissão” refere-se a uma configuração onde o objeto sob medição é colocado dentro do caminho óptico; a energia luminosa emitida por uma fonte de luz constante passa através do objeto-com uma parte sendo absorvida-antes que a luz transmitida atinja o componente fotoelétrico. O "tipo de reflexão difusa" envolve uma fonte de luz constante que emite luz sobre o objeto sob medição, após o que a luz é refletida difusamente a partir da superfície do objeto e subsequentemente atinge o componente fotoelétrico. O "tipo de bloqueio de luz" descreve um cenário onde o fluxo luminoso emitido pela fonte de luz é parcialmente obstruído pelo objeto sob medição, alterando assim a quantidade de fluxo luminoso incidente sobre o componente fotoelétrico; a magnitude desta alteração está diretamente relacionada à posição do objeto dentro do caminho óptico.
O fotodiodo é o tipo mais comum de sensor óptico. Fisicamente, um fotodiodo se assemelha a um diodo padrão. Na ausência de iluminação, ele se comporta como um diodo convencional, exibindo uma corrente reversa muito pequena conhecida como “corrente escura”. Quando expostos à luz, os portadores de carga são excitados, gerando pares de elétrons -buracos chamados de "fotoportadores". Sob a influência de um campo elétrico externo, esses fotoportadores participam da condução elétrica, dando origem a uma corrente reversa significativamente maior que a corrente escura; esta corrente resultante é denominada "fotocorrente". A magnitude da fotocorrente é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente; conseqüentemente, um sinal elétrico que varia de acordo com as mudanças na intensidade da luz pode ser obtido através de um resistor de carga.
Além de possuir a capacidade de converter sinais ópticos em sinais elétricos-uma função compartilhada com fotodiodos-o fototransistor também apresenta a capacidade distinta de amplificar esses sinais elétricos. A aparência física de um fototransistor difere pouco daquela de um transistor padrão. Normalmente, um fototransistor apresenta apenas dois terminais externos-o emissor e o coletor-enquanto o terminal base é deixado desconectado internamente. A caixa do dispositivo é projetada com uma janela transparente para permitir a entrada de luz. Para maximizar a absorção de luz, a área de superfície da região base é significativamente maior do que a da região emissora; conseqüentemente, a luz incidente é absorvida principalmente na região da base. Durante a operação, a junção-base do coletor é polarizada-reversamente, enquanto a junção-base do emissor é polarizada diretamente-. Na ausência de luz, a corrente que flui através do dispositivo é conhecida como "corrente escura" (Iceo=(1 + ) Icbo); essa corrente é extremamente pequena-até menor que a corrente de fuga encontrada nos transistores padrão. Quando exposto à luz, um grande número de pares de buracos de elétrons é gerado, resultando em um aumento na corrente de base (Ib). A corrente que flui através do dispositivo sob essas condições é chamada de "fotocorrente", com a corrente do emissor dada por Ie=(1 + ) Ib. Assim, fica evidente que um fototransistor possui maior sensibilidade em comparação com um fotodiodo.
Princípio Operacional
Um sensor fotoelétrico alcança o controle convertendo variações na intensidade da luz em mudanças correspondentes nos sinais elétricos.
Geralmente, um sensor fotoelétrico consiste em três componentes principais: um transmissor, um receptor e um circuito de detecção.
O transmissor emite um feixe de luz direcionado a um objeto alvo. Esse feixe de luz normalmente é gerado por uma fonte de luz semicondutora,-como um diodo emissor de luz-(LED), um diodo laser ou um diodo emissor de infravermelho. O feixe de luz pode ser emitido continuamente ou modulado através da variação da largura-do pulso. O conjunto receptor normalmente compreende componentes como fotodiodos, fototransistores ou fotocélulas. Elementos ópticos-como lentes e aberturas-são posicionados na frente do receptor para condicionar a luz recebida. Localizado atrás do receptor está o circuito de detecção, que serve para filtrar o sinal relevante e processá-lo para aplicação prática.