Более распространенными, чем бесконтактные выключатели, являются датчики, реагирующие на световое излучение, а именно фотоэлектрические датчики. Следует выделить два основных направления применения этих датчиков. Во-первых, можно просто использовать фотоэлемент для контроля за светом, естественно излучаемым объектом в процессе работы. Хорошим примером является использование фотоэлементов для включения освещения при наступлении сумерек и выключения его с рассветом. Рост стоимости потребляемой энергии привлек всеобщее внимание к этому типу автоматических систем.
Во-вторых, можно использовать луч света, создаваемый искусственным источником. Основной задачей здесь является обнаружение объекта на пути прохождения луча. Источник света может быть установлен отдельно или встроен в датчик. Во втором случае возникает необходимость в естественном или искусственном отражателе для возврата луча к датчику.
Отражающие поверхности, используемые в фотоэлектрических системах, бывают трех типов: рассеивающие, зеркальные и обратного отражения . Самым дешевым и распространенным видом отражающих поверхностей являются рассеивающие поверхности. Даже обычный объект белого цвета имеет свойства рассеивающей поверхности, поэтому он отражает свет, а не изображение. Рассеивающие отражатели рассеивают так много света, что только малая его доля возвращается к фотоэлектрическому датчику. В связи с этим экономия, полученная за счет применения рассеивающих поверхностей, может обернуться убытком, если речь идет о применении более чувствительного и, возможно, более совершенного датчика. Фотоэлектрические системы, использующие рассеивающие отражающие поверхности, к тому же, более подвержены влиянию помех.
Зеркальные поверхности чаще всего ассоциируются со словом «отражающий». К ним относятся зеркала и очень хорошо полированные поверхности. На зеркальные отражающие поверхности распространяется физический закон, по которому угол падения равен углу отражения. Очевидно, что источник света и датчик, взаимодействующие через зеркальные отражающие поверхности, должны быть более точно направленными, чем при использовании рассеивающих поверхностей. Для систем, в которых источник света и датчик конструктивно объединены, плоскость зеркальной отражающей поверхности должна быть перпендикулярной к направлению луча света. В противном случае луч будет потерян. Это может быть преимуществом или недостатком в зависимости от целей, которые ставит перед собой конструктор. Из всех трех перечисленных типов поверхностей поверхности обратного отражения являются наиболее сложными и дорогими. Эти поверхности способны отражать назад к источнику большую часть света вне зависимости от угла падения луча. Поверхности обратного отражения в основном нарушают закон равенства углов падения и отражения, за исключением случая перпендикулярности поверхности лучу от источника.
Общеизвестным примером поверхности обратного отражения является красный отражатель, устанавливаемый на заднем крыле велосипеда. Хотя отражатель не подсвечивается изнутри, он ярко светится под светом фары велосипеда, едущего сзади. Свет концентрируется в луч, возвращаемый назад к источнику, если тот находится в определенной зоне. Некоторые дорожные сигналы, полосы разметки, поверхности отражающих лент и киноэкранов покрыты слоем мелких бусинок, что заставляет часть света от источника отражаться обратно. По крайней мере частично описанная способность поверхностей обратного отражения может улучшить характеристики фотодатчиков. Очевидно, что точная установка в этом-случае не требуется, чувствительность фотодиода может быть ниже, чем при рассеивающей отражательной поверхности, так что поверхности обратного отражения в некоторой степени соединяют достоинства зеркальных и рассеивающих, проигрывая им в цене.
Фотоэлектрические датчики очень полезны, но инженер по автоматизации должен избегать их применения в условиях, которые могут привести к их загрязнению, создавать помехи в работе или даже повредить фотоэлектрическую систему. Случайное освещение датчика, например, фонарем в руках рабочего может привести к его срабатыванию. Попадание на датчик света дуги электросварки может привести к более печальным последствиям, даже совсем вывести датчик из строя. Повредить фотоэлектрическую систему может также высокая температура, сопутствующая технологическому процессу. Если окружающая среда в производстве загрязнена твердыми частицами или испарениями, на линзах и зеркалах может образоваться налет пыли или конденсата. Необходимость очистки этих поверхностей вручную может лишить автоматизацию всех преимуществ. Собираясь проводить автоматизацию, необходимо учитывать возможность возникновения вибраций в связи с работой соседнего оборудования и принять соответствующие меры. Вибрации могут нарушить правильность взаимного положения источника света и датчика и снизить надежность ламп, особенно ламп накаливания.
Большинство проблем, возникающих при применении фотоэлектрических датчиков, поддается решению, особенно если инженер по автоматизации с самого начала готов к этому. Например, посторонние источники света могут быть экранированы, а направление луча света может быть изменено с помощью зеркал. Проблемы запыления и осаждения конденсата могут быть решены с помощью обдувки сжатым воздухом. Еще одним приемом, применяемым при неблагоприятных окружающих условиях, является применение устройств в преднамеренно суженном диапазоне. Например, если система рассчитана на диапазон 8—10 футов (2,5—3 м), используйте ее на расстоянии 2—3 футов (0,6—0,9 м). Для решения проблемы нарушения правильности взаимного положения датчика и источника вследствие вибраций могут быть применены поверхности обратного отражения. Иногда можно найти выход, используя инфракрасное излучение или волоконную оптику, о чем будет рассказано в следующих разделах.
Фотоэлектрические датчики