Terminología del sensor

La sensibilidad del sensor se define como la pendiente de la CURVE característica de salida (DY/DX en la figura 1) o, más generalmente, la entrada mínima de parámetro físico que creará un cambio de salida detectable. En algunos sensores, la sensibilidad se define como el cambio de parámetro de entrada requerido para producir un cambio de salida estandarizado. En otros, se define como un cambio de voltaje de salida para un cambio dado en el parámetro de entrada. Por ejemplo, un transductor de presión arterial típico puede tener una calificación de sensibilidad de 10 mV/V/mm Hg; es decir, habrá una tensión de salida de 10 mV por cada voltio de potencial de excitación y cada mm Hg de presión aplicada.

Error de sensibilidad

El error de sensibilidad (mostrado como CURVE de puntos en la Figura 1) es una desviación de la pendiente ideal de la CURVE característica. Por ejemplo, el transductor de presión descrito anteriormente puede tener una sensibilidad real de 7,8 mV/V/mm Hg en lugar de 10 mV/V/mm Hg.

El rango del sensor son los valores máximos y mínimos del parámetro aplicado que se pueden medir. Por ejemplo, un sensor de presión dado puede tener un rango de -400 a +400 mm Hg. Alternativamente, los rangos positivo y negativo a menudo son desiguales. Por ejemplo, se especifica que un determinado transductor médico de presión arterial tiene un límite mínimo (de vacío) de -50 mm Hg (Y_min en la Figura 1) y un límite máximo (de presión) de +450 mm Hg (Y_max en la Figura 1). Esta especificación es común, por cierto, y es una de las razones por las que los médicos y enfermeras a veces destruyen los sensores de presión arterial cuando intentan extraer sangre a través de una línea arterial sin ser conscientes de la posición de las llaves de paso de líquido en el sistema. Una jeringa pequeña puede ejercer un vacío tremendo en un sistema cerrado.

Figura 1. CURVE ideal y error de sensibilidad. Fuente: J.J. Carr, Sensors and Circuits Prentice Hall.

Rango dinámico

El rango dinámico es el rango total del sensor de mínimo a máximo. Es decir, en términos de la figura 1, R_dyn = Y_máx - l -Y _minl.

El concepto de precisión se refiere al grado de reproducibilidad de una medición. En otras palabras, si se midiera exactamente el mismo valor varias veces, un sensor ideal emitiría exactamente el mismo valor cada vez. Pero los sensores reales emiten un rango de valores distribuidos de alguna manera en relación con el valor correcto real. Por ejemplo, supongamos que se aplica una presión de exactamente 150 mm Hg a un sensor. Incluso si la presión aplicada nunca cambia, los valores de salida del sensor variarán considerablemente. Algunos problemas sutiles surgen en la cuestión de la precisión cuando el valor verdadero y el valor medio del sensor no están dentro de una cierta distancia entre sí
(por ejemplo, el rango 1-s de la CURVE normal de distribución).

Esta especificación es el cambio incremental detectable más pequeño del parámetro de entrada que se puede detectar en la señal de salida. La resolución puede expresarse como una proporción de la lectura (o la lectura a escala completa) o en términos absolutos.

La precisión del sensor es la diferencia máxima que existirá entre el valor real (que debe medirse mediante un estándar primario o secundario bueno) y el valor indicado a la salida del sensor. Una vez más, la precisión puede expresarse como porcentaje de la escala completa o en términos absolutos.

El error de desplazamiento de un transductor se define como la salida que existirá cuando debería ser cero o, alternativamente, la diferencia entre el valor de salida real y el valor de salida especificado en algún conjunto particular de condiciones. Existiría un ejemplo de la primera situación en términos de la figura 1 si la CURVE característica tuviera la misma pendiente de sensibilidad que la ideal pero cruzara el eje Y (salida) en b en lugar de cero. Un ejemplo de la otra forma de offset se ve en la CURVE característica de un electrodo de pH mostrado en la Figura 2. La CURVE ideal existirá solo a una temperatura (generalmente 25°C), mientras que la CURVE real estará entre los límites de temperatura mínima y máxima dependiendo de la temperatura de la muestra y el electrodo.

La linealidad del transductor es una expresión de la medida en que la CURVE medida real de un sensor se aparta de la CURVE ideal. La figura 3 muestra una relación algo exagerada entre la línea ideal, o de ajuste por mínimos cuadrados, y la línea real medida o de calibración (obsérvese que, en la mayoría de los casos, la CURVE estática se utiliza para determinar la linealidad, y esto puede desviarse algo de una linealidad dinámica). La linealidad se especifica a menudo en términos de porcentaje de no linealidad que se define como:

donde

La no linealidad (%) es el porcentaje de no linealidad
Din(_max) es la desviación máxima de entrada
IN_f.s. es la entrada máxima a escala completa

La no linealidad estática definida por la Ecuación 6-1 a menudo está sujeta a factores ambientales, incluyendo temperatura, vibración, nivel de ruido acústico y humedad. Es importante saber en qué condiciones es válida la especificación y si se aparta de ellas puede no producirse un cambio lineal de linealidad.

Un transductor debe ser capaz de seguir los cambios del parámetro de entrada independientemente de en qué dirección se realice el cambio; la histéresis es la medida de esta propiedad. La Figura 4 muestra una CURVE típica de histéresis. Tenga en cuenta que importa desde qué dirección se realice el cambio. Aproximarse a un valor de entrada fijo (punto B en la figura 4) desde un valor más alto (punto P) dará como resultado una indicación diferente que acercarse al mismo valor desde un valor menor (punto Q o cero). Tenga en cuenta que el valor de entrada B puede representarse por F(X)₁, F(X)₂ o F(X)₃ dependiendo del valor inmediato anterior, claramente un error debido a la histéresis.

Los sensores no cambian el estado de salida inmediatamente cuando se produce un cambio de parámetro de entrada. Más bien, cambiará al nuevo estado durante un período de tiempo, llamado tiempo de respuesta (T_r en la Figura 5). El tiempo de respuesta puede definirse como el tiempo necesario para que una salida de sensor cambie de su estado anterior a un valor final establecido dentro de una banda de tolerancia del nuevo valor correcto. Este concepto es algo diferente de la noción de la constante de tiempo (T) del sistema. Este término se puede definir de una manera similar a la de un condensador que se carga a través de una resistencia y suele ser menor que el tiempo de respuesta.

Las curvas de la Figura 5 muestran dos tipos de tiempo de respuesta. En la figura 5a, la CURVE representa el tiempo de respuesta después de un cambio brusco positivo en la función escalonada del parámetro de entrada. La forma mostrada en la figura 5b es un tiempo de decaimiento (T_d para distinguir de T_r, ya que no siempre son los mismos) en respuesta a un cambio negativo de función escalonada del parámetro de entrada.

La linealidad dinámica del sensor es una medida de su capacidad para seguir cambios rápidos en el parámetro de entrada. Las características de distorsión de amplitud, las características de distorsión de fase y el tiempo de respuesta son importantes para determinar la linealidad dinámica. Dado un sistema de baja histéresis (siempre deseable), la respuesta de amplitud se representa por:

En la ecuación 6-2, el término F(X) es la señal de salida, mientras que los términos X representan el parámetro de entrada y sus armónicos, y K es una constante de desplazamiento (si la hay). Los armónicos cobran especial importancia cuando los armónicos de error generados por la acción del sensor caen en las mismas bandas de frecuencia que los armónicos naturales producidos por la acción dinámica del parámetro de entrada. Todas las formas de onda continuas están representadas por una serie de Fourier de una onda sinusoidal fundamental y sus armónicos. En cualquier forma de onda no sinusoidal (incluidos los cambios variables en el tiempo de un parámetro físico). Armónicos presentes serán los que pueden verse afectados por la acción del sensor.

Figura 6. Curvas de señal de salida frente a señal de entrada que muestran a) error cuadrático; b) error cúbico. Fuente: J.J. Carr, Sensores y Circuits Prentice Hall.

La naturaleza de la no linealidad de la CURVE de calibración (Figura 6) dice algo sobre qué armónicos están presentes. En la figura 6a, la CURVE de calibración (indicada como línea de puntos) es asimétrica, por lo que solo existen términos armónicos impares. Suponiendo una forma para la CURVE ideal de F(x) = mx + K, la ecuación 6-2 se convierte para el caso simétrico:

En el otro tipo de CURVE de calibración (figura 6b), los valores indicados son simétricos respecto a la CURVE ideal mx + K. En este caso, F(X) = -F(-X), y la forma de la ecuación 6-2 es:

Nota legal