إن أنظمة القياس والتحكم البصرية، المصممة بناءً على المبادئ المختلفة التي يتفاعل من خلالها التدفق الضوئي مع المكونات الكهروضوئية، متنوعة للغاية. استنادًا إلى طبيعة إشارة الخرج الناتجة عن المكونات الكهروضوئية (أو النظام ككل)، يمكن تصنيف هذه الأنظمة على نطاق واسع إلى فئتين: أجهزة الاستشعار الكهروضوئية التناظرية وأجهزة الاستشعار الكهروضوئية النبضية (أو التبديل). يقوم المستشعر الكهروضوئي التناظري بتحويل الكمية المقاسة إلى تيار ضوئي متغير باستمرار، مما يؤدي إلى إنشاء علاقة فريدة ذات قيمة واحدة - بين الكمية المقاسة وإشارة الخرج. استنادًا إلى الطريقة المستخدمة لقياس (أو اكتشاف) الكائن المستهدف، يمكن تصنيف أجهزة الاستشعار الكهروضوئية التناظرية إلى ثلاثة أنواع رئيسية: نوع الإرسال (الامتصاص)، ونوع الانعكاس المنتشر، ونوع حجب الضوء (مقاطعة الشعاع). ويشير "نوع الإرسال" إلى تكوين يتم فيه وضع الجسم قيد القياس ضمن المسار البصري؛ تمر الطاقة الضوئية المنبعثة من مصدر ضوء ثابت عبر الجسم-مع امتصاص جزء منها-قبل أن يضرب الضوء المنقول المكون الكهروضوئي. "نوع الانعكاس المنتشر" يتضمن مصدر ضوء ثابت ينبعث الضوء على الجسم قيد القياس، وعندها ينعكس الضوء بشكل منتشر من سطح الجسم ويضرب بعد ذلك المكون الكهروضوئي. يصف "نوع حجب الضوء" سيناريو يتم فيه إعاقة التدفق الضوئي المنبعث من مصدر الضوء جزئيًا بواسطة الجسم قيد القياس، وبالتالي تغيير مقدار التدفق الضوئي الحادث على المكون الكهروضوئي؛ يرتبط حجم هذا التغيير ارتباطًا مباشرًا بموضع الجسم داخل المسار البصري.
الثنائي الضوئي هو النوع الأكثر شيوعا من أجهزة الاستشعار البصرية. فيزيائيا، الثنائي الضوئي يشبه الصمام الثنائي القياسي. في غياب الإضاءة، فإنه يتصرف مثل الصمام الثنائي التقليدي، ويعرض تيارًا عكسيًا صغيرًا جدًا يُعرف باسم "التيار المظلم". عند تعرضها للضوء، يتم إثارة حاملات الشحنة، مما يؤدي إلى توليد أزواج من الإلكترونات-يشار إليها باسم "الحاملات الضوئية". تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، تشارك هذه الناقلات الضوئية في التوصيل الكهربائي، مما يؤدي إلى ظهور تيار عكسي أكبر بكثير من التيار المظلم؛ ويسمى هذا التيار الناتج "التيار الضوئي". يتناسب حجم التيار الضوئي بشكل مباشر مع شدة الضوء الساقط؛ وبالتالي، يمكن الحصول على إشارة كهربائية تختلف وفقًا للتغيرات في شدة الضوء عبر مقاوم الحمل.
بالإضافة إلى امتلاك القدرة على تحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية-وهي وظيفة مشتركة مع الثنائيات الضوئية-يتميز الترانزستور الضوئي أيضًا بقدرة متميزة على تضخيم هذه الإشارات الكهربائية. يختلف المظهر المادي للترانزستور الضوئي قليلًا عن مظهر الترانزستور القياسي. عادةً، يتميز الترانزستور الضوئي بوجود سلكين خارجيين فقط-الباعث والمجمع-بينما يتم ترك السلك الأساسي غير متصل داخليًا. تم تصميم غلاف الجهاز بنافذة شفافة للسماح بدخول الضوء. لتعظيم امتصاص الضوء، تصبح مساحة سطح منطقة القاعدة أكبر بكثير من مساحة منطقة الباعث؛ وبالتالي، يتم امتصاص الضوء الساقط بشكل أساسي داخل منطقة القاعدة. أثناء التشغيل، تكون الوصلة الأساسية للمجمع-متحيزة بشكل عكسي-، بينما تكون الوصلة الأساسية للباعث-متحيزة للأمام-. في حالة غياب الضوء، يُعرف التيار المتدفق عبر الجهاز باسم "التيار المظلم" (Iceo=(1 + ) Icbo)؛ وهذا التيار صغير للغاية-أقل حتى من تيار التسرب الموجود في الترانزستورات القياسية. عند التعرض للضوء، يتم إنشاء عدد كبير من أزواج الثقوب الإلكترونية-، مما يؤدي إلى زيادة في تيار القاعدة (Ib). يُطلق على التيار المتدفق عبر الجهاز في ظل هذه الظروف اسم "التيار الضوئي"، مع إعطاء تيار الباعث بواسطة Ie=(1 + ) Ib. وبالتالي، فمن الواضح أن الترانزستور الضوئي يمتلك حساسية أعلى مقارنة بالثنائي الضوئي.
مبدأ التشغيل
يحقق المستشعر الكهروضوئي التحكم عن طريق تحويل الاختلافات في شدة الضوء إلى تغييرات مقابلة في الإشارات الكهربائية.
بشكل عام، يتكون المستشعر الكهروضوئي من ثلاثة مكونات رئيسية: جهاز إرسال وجهاز استقبال ودائرة كشف.
يرسل جهاز الإرسال شعاعًا من الضوء موجهًا نحو الجسم المستهدف. يتم إنشاء شعاع الضوء هذا عادةً بواسطة مصدر ضوء شبه موصل-مثل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) أو الصمام الثنائي الليزري أو الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء. قد ينبعث شعاع الضوء بشكل مستمر أو يتم تعديله عبر اختلاف عرض النبضة-. تشتمل مجموعة جهاز الاستقبال عادةً على مكونات مثل الثنائيات الضوئية أو الترانزستورات الضوئية أو الخلايا الضوئية. يتم وضع العناصر البصرية-مثل العدسات والفتحات-أمام جهاز الاستقبال لتكييف الضوء الوارد. توجد دائرة الكشف خلف جهاز الاستقبال، والتي تعمل على تصفية الإشارة ذات الصلة ومعالجتها للتطبيق العملي.