光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。光电式传感器在机电控制系统中应用较多，本节介绍光敏电阻、光敏晶体管=、光电开关及光电断续器和热释电元件。
一、光敏电阻
某些半导体材料，在黑暗环境下电阻值很高。在受光照射时，光子能量将在这些光敏材料中激发出许多电子空穴对，从而增强导电性，使电阻值降低。光线越强，阻值也变得越低。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻值也恢复到原值。
光敏电阻种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、蹄化物组成。如硫化镐、硫化铅、硒化铅、蹄化铅等。光敏电阻结构很简单，由于内光电效应只限于光照的物体表面薄层，因此把渗杂的半导体薄膜沉积在绝缘基底上，再从两端引出两个电极，上面带有透光窗，密封起来就成为光敏电阻，如图2-42所示。下面讨论光敏电阻的基本特性。
1.伏安特性：伏安特性是指光敏电阻两端所加电压和电流的关系曲线，如图2-43(a)所示。无光照的电阻值称“暗电阻”，此时流过的电流称“暗电流”。有光照的电阻值称“亮电阻”，此时流过电流称“亮电流”。亮电流与暗电流之差称为“光电流”。暗电阻越大、亮电阻越小(即光电流要尽可能大)，光敏电阻的灵敏度就高。由曲线可知，加在光敏电阻两端电压越大，光电流也越大，而且没有饱和现象。在给定的光照下，电阻值与外加电压无关，即斜率为常数，说明光敏电阻也是一个线性电阻，符合欧姆定律。在给定的电压下，光电流随光照增强而增大。同普通电阻一样，光敏电阻也有最大额定功率的限制，当超过这个功率使用，就会导致光敏电阻损坏。
2.光照特性：光照特性是指光电流I和光通量Φ的关系曲线，如图2-43(b)所示。由图可知，光电流和光照强度之间关系是非线性的，而且光照强度较大时，光电流有饱和趋向。因此，光敏电阻不适宜做检测元件，这是它的缺点。所以光敏电阻在机电控制系统中只是常用作开关量的光电传感器。
3.光谱特性：同一光敏电阻对不同波长λ的入射光，其相对灵敏度也是不同的，而且不同的光敏电阻其最大峰值点出现的波长也不相同。所以，在选用光敏电阻时，应当把元件与光源结合起来考虑，才能获得满意的结果。
4.频率特性：指入射光的强度变化频率与光电流的相对灵敏度的关系曲线。当光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流并不立即作出相应的变化，而具有一定的“惰性”，这种惰性常用时间常数τ来描述。所谓时间常数即为从光敏电阻停止光照时起到电流下降到原来的63％所需的时间。时间常数越小越好，说明反应迅速，动态特性好。由曲线可知，硫化铅的频率特性较好。光敏电阻的响应时间还与光强有关，光越强，响应时间就越短。大多数光敏电阻的时间常数较大，这是光敏电阻的缺点。
5.温度特性：光敏电阻和其他半导体一样，它的特性受温度影响较大。温度升高将导致暗电阻减小、灵敏度下降。温度特性通常用温度系数来描述，温度系数越小越好.灵敏度的峰值随温度升高向短波长方向移动。
由于光敏电阻体积小、使用简单，在控制系统中常用作光信号、自然光、光量、光位等检测。图2-44是利用光敏产生的脉冲信号来对传送带上工件进行计数的。图中R为光敏电阻，当光源的光线照在R上时，R为亮阻值，阻值小，a点电位低，使三极管发射极的电位也低。当传送带上工件遮住光线时，R为暗电阻，阻值大，a点电位升高，三极管发射极的电位随之升高。工件过后，光线又重新照在R上，如此重复。由图(b)可以看出，每通过一个工件，Ub就出现一个脉冲，所以对工件的计数转换成对脉冲的计数，Ub可以送后面电路处理，显示或打印。如果脉宽超过一定数值，可认为两个工件连续经过所致，所以计数两次。
二、光敏晶体管
1.光敏二极管
光敏二极管的结构与普通二极管相似，它的PN结装在管的顶面，并有一个透镜窗口，可使入射光集中照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，其电路连接与伏安特性如图2-45所示。当无光照时，反向电阻很大，反向电流很小(一般为10-2～10-3μA)称为“暗电流”。当光照时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生电子空穴对，在PN结电场作用下做定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流就越大。所以光敏二极管在无光照时处于截止状态，受光照时处于导通状态。
2.光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，由于后者性能较优，因此实用较多。光敏三极管的外型结构与光敏二极管相似，通常也只引出两个电极(无基极引线)，光线由窗口对着集电极的PN结。光敏三极管的电路连接与普通三极管相同，基极开路，集电结反偏，发射结正偏，如图2-46所示。
无光照时，集电极的PN结反偏，集电极与基极间有反向饱和电流ICeo，该电流流入发射结，放大成集电极与发射极之间的穿透电流，即Iceo=(l=β)Icbo。此即光敏三极管的暗电流。
当光照集电极PN结附近时，在PN结附近产生电子空穴对，其在PN结内电场作用下，定向运动形成大的反向饱和电流。该电流流入发射结放大成光敏三极管的光电流，即放大(1+β)倍，所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。
3.光照特性
光照特性是指外加电压恒定时，输出电流I和光照度E之间的关系，如图2-47(a)、(b)所示。由图可知，二极管的光照特性比三极管线性度好，所以二极管适合作检测元件；三极管在弱光时电流增加缓慢，不利于弱光检测。
4.光谱特性
光谱特性是指外加电压和光照强度恒定时，输出电流和入射光波长之间的关系，如图2-47(c)所示。由图可知锗光敏晶体管在光波长为0.5～1.7μm范围内有较大输出电流值。此范围称为它的响应波长，其中最大输出电流发生在波长为1.4μm附近。硅光敏晶体管的响应在光波长为0.5～1.7μm范围内，最大输出电流发生在波长为0.8μm附近。这些数据对机电控制系统设计中正确选用光敏晶体管是非常重要的，为了提高光电传感器的灵敏度和效率，光敏晶体管和光源的频谱要相配合。
5.频率特性
频率特性是指外加电压和光照强度恒定时，人射光强度变化频率与输出电流相对灵敏度之间的关系，如图2-47(d)所示。由于光敏三极管存在发射结电容和基区较厚，所以它的频率特性比二极管差，且响应时间在10μs之间(二极管小于10μs)，另外碴管比锗管要小。从曲线可知，频率特性与负载有关，减小负载，可扩大额响范围，但输出电压也减小了，所以设计中要权衡考虑。
温度变化对光敏晶体管的暗电流和光电流都有影响，一般都随温度升高而增加。但是温度变化对输出电流影响较小，输出电流主要由光照度所决定。而暗电流随温度变化很大，所以在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。
三、光电式传感器的应用
1.光电式传感器的类型
光电式传感器属于非接触式测量，目前越来越多地用于生产的各领域。依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将光电式传感器分成下述四种类型：
(l)光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源
的某些物理参数，如图2-48(a)所示。典型的例子如光电高温比色温度计、光照度计等。
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