4. Características estáticas de los sistemas de medida.

El comportamiento del sistema de medida viene condicionado por el sensor empleado. Es por ello importante describir las características de los sensores. Sucede que, en la mayoría de los sistemas de medida, la variable de interés varía tan lentamente que basta con conocer las características estáticas del sensor. Ahora bien, las características estáticas influyen también en el comportamiento dinámico del sensor, es decir, en el comportamiento que presenta cuando la magnitud de medida varía a lo largo del tiempo.

Exactitud es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida. En castellano se emplea como sinónimo de exactitud el término precisión. El valor “exacto”, “verdadero” o “ideal”, es el que se obtendría si la magnitud se midiera con un método “ejemplar”. Se considera como tal aquel método de medida en el que los expertos coinciden que es suficientemente exacto para la finalidad pretendida con los resultados que se obtengan. La exactitud de un sensor se determina mediante la denominada calibración estática. Consiste ésta en mantener todas las entradas excepto una a un valor constante. La entrada en estudio se varía lentamente, tomando sucesivamente valores “constantes” dentro del margen de medida, y se van anotando los valores que toma la salida. La representación de estos valores en función de los de la entrada define la curva de calibración. Para poder conocer el valor de la magnitud de entrada, ésta debe tener un valor bien conocido, constituyendo lo que se denomina un “patrón” de referencia. Su valor debe conocerse con una exactitud al menos diez veces mayor que la del sensor que se calibra.

Repetibilidad se refiere al mismo hecho, pero cuando las medidas se realizan en un intervalo de tiempo corto. Cuantitativamente, es el valor por debajo del cual se encuentra, con una probabilidad especificada, el valor absoluto de la diferencia entre dos resultados individuales obtenidos en las condiciones antedichas. Si no se dice lo contrario, la probabilidad se toma del 95%. La reproducibilidad se refiere también al grado de coincidencia entre distintas lecturas individuales cuando se determina el mismo parámetro con un método concreto, pero con un conjunto de medidas a largo plazo o realizadas por personas distintas o con distintos aparatos o en diferentes laboratorios. Cuantitativamente, es el valor por debajo del que se encuentra, con una probabilidad especificada, el valor absoluto de la diferencia entre dos resultados individuales obtenidos en las condiciones anteriores. Si no se dice lo contrario, la probabilidad se toma del 95%.
En sensores, cuando hay una variación de la salida a lo largo del tiempo se habla a veces de “inestabilidad”, y se dice que el sensor tiene derivas. En particular, se especifican a veces las denominadas derivas de cero y derivas del factor de escala. La deriva de cero expresa la variación de la salida con entrada nula. La deriva del factor de escala expresa la variación de la sensibilidad.
Sensibilidad o factor de escala es la pendiente de la curva de calibración, que puede ser o no constante a lo
largo de la escala de medida. Para un sensor cuya salida esté relacionada con la entrada x mediante la
ecuación y=f(x), la sensibilidad en el punto xa , S(xa), es:

En los sensores interesa tener una sensibilidad alta y, si es posible, constante. Para un sensor con respuesta:
y = k.x + b la sensibilidad es S = k, para todo el margen de valores se x aplicables. Para uno cuya respuesta sea:
y = k.x2 + b la sensibilidad es S = 2.k.x, y varía a lo largo de todo el margen de medida.
Linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta determinada.
Según cual sea dicha recta se habla de:

Linealidad independiente: la línea de referencia se define por el método de mínimos cuadrados. De esta forma, el máximo error positivo y el mínimo error negativo son iguales. Es la forma de especificación que suele dar mejor calidad.

Linealidad ajustada al cero: la recta se define también por el método de los mínimos cuadrados, pero con la restricción adicional de pasar por cero.

Linealidad terminal: la recta se define por la salida sin entrada (o la menor del margen de medida) y la salida teórica máxima, correspondiente a la mayor entrada admitida.

Linealidad a través de los extremos: la recta se define mediante la salida real cuando la entrada es la menor
del alcance especificado, y la salida real cuando la entrada es la máxima del alcance especificado.

Linealidad teórica: la recta es la definida por las previsiones teóricas formuladas al diseñar el sensor. En la figura 1.6 se representan estas distintas rectas para un sensor con una curva de calibración dada. resulta, pues, que la linealidad expresa hasta qué punto es constante la sensibilidad del sensor, pero para que un sensor sea válido no es condición indispensable que sea lineal. El interés de la linealidad está en que la conversión lectura-valor medido es más fácil si la sensibilidad es constante para conocer el valor de la entrada. Además, en instrumentos lineales la no linealidad equivale a inexactitud.

Actualmente, con la posibilidad de incorporar un microprocesador en los sistemas de medida, interesa más la repetibilidad que la linealidad, pues siempre es posible crear una tabla conteniendo los valores de entrada que correspondan a los valores de salida detectados. mediante una interpolación adecuada, es posible reducir el tamaño de dicha tabla.

Los principales factores que influyen en la linealidad son: la resolución, el umbral y la histéresis. La resolución o discriminación es el incremento mínimo de la entrada para el que se obtiene un cambio en la salida. Cuando el incremento de la entrada se produce a partir de cero, se habla de umbral. La histéresis se refiere a la diferencia en la salida para una misma entrada, según la dirección en que se alcance. Es decir, puede suceder, análogamente a la magnetización de los materiales ferromagnéticos, que la salida correspondiente a una entrada dependa de si la entrada previa fue mayor o menor que la entrada actual.