Discrepancia espectral en los sensores UV

La discrepancia espectral es la diferencia entre la respuesta espectral real de un sensor UV y la función de ponderación ideal y rectangular. Se produce en todo sensor filtrado, ya que los filtros ópticos no tienen bandas de paso y de corte ideales. Como resultado, un sensor calibrado para una lámpara determinada mostrará sistemáticamente lecturas desviadas con una fuente de espectro diferente.

A diferencia de los luxómetros, los sensores UV se diseñan para distintos espectros y distintos rangos espectrales. Para garantizar que un sensor UV tenga la sensibilidad espectral deseada, se utilizan filtros ópticos específicos del fabricante para ajustar dicha sensibilidad espectral.

La siguiente imagen ilustra la estructura de un sensor UV o radiómetro, utilizado habitualmente para medir la radiación ultravioleta. El sensor consta de varios filtros ópticos y un fotodiodo. Los demás componentes eléctricos, la amplificación y la conversión analógico-digital no se muestran aquí.

Idealmente, la curva de sensibilidad corresponde a una función de ponderación rectangular constante. En la práctica, sin embargo, se producen desviaciones, el llamado desajuste espectral. Esto describe la diferencia entre la sensibilidad real del sensor y la función de ponderación ideal. 

Los motivos son típicos de todos los sensores UV con filtro, ya que los filtros ópticos utilizados no presentan rangos de corte y de paso ideales ni bordes de filtro "infinitamente" pronunciados. Los fotodiodos también presentan una sensibilidad espectral típica. 

Influencia de la sensibilidad espectral

La sensibilidad espectral es una propiedad característica de cada sensor UV. Mientras que los sensores del mismo tipo presentan características similares, sensores distintos -según el fabricante, el tipo y el rango espectral- difieren de forma significativa.
El valor medido de un sensor UV depende en gran medida del espectro de emisión de la fuente de luz. Un sensor calibrado para una fuente específica (p. ej. lámpara de vapor de mercurio o LED UV) puede mostrar desviaciones significativas con una fuente diferente.
 

El resultado del desajuste espectral es una incertidumbre de medición que depende de la fuente. Por ejemplo, si un sensor se calibra con una lámpara de banda ancha pero se utiliza con un LED UV de banda estrecha, el valor mostrado puede desviarse del valor efectivo real en varias decenas por ciento. Estas desviaciones son reproducibles y, por tanto, de naturaleza sistemática.

Ejemplo de un desajuste espectral

Un sensor UV tiene una función de ponderación real (gris), mientras que la curva ideal (negro) describe una respuesta uniforme.

Para un LED de 400 nm, la sensibilidad relativa es de 1,0.
Para un LED de 425 nm, la sensibilidad relativa desciende a 0,9.

Por lo tanto, el valor mostrado es aproximadamente un 10 % menor. Los equipos de medición modernos como el radiómetro RMD compensan este efecto internamente, siempre que se seleccione correctamente el tipo de lámpara correspondiente (p. ej. 400 nm o 425 nm).

Métodos para reducir el desajuste espectral

1. calibración dependiente de la fuente
En Opsytec, los sensores UV se calibran con la lámpara o el LED realmente utilizado para la aplicación específica. Para ello se dispone en el laboratorio de numerosas fuentes UV industriales, con el fin de ajustar la calibración con precisión al rango espectral deseado.

2. corrección matemática
Con los radiómetros modernos, el factor de calibración puede guardarse directamente en el sensor. El rango de calibración adecuado, por ejemplo 365 nm para LED UVA o 450 nm para LED azules, se selecciona simplemente en el equipo de medición. Para sistemas más antiguos o externos, Opsytec puede determinar un factor de corrección, que se indica en el certificado de calibración.

3. uso de espectrorradiómetros
Los espectrorradiómetros captan el espectro completo; el desajuste debido a las curvas de los filtros queda eliminado, mientras que la luz parásita y la calibración en longitud de onda siguen siendo fuentes de incertidumbre. La calibración específica por longitud de onda permite corregir por cálculo cualquier desviación. Los modelos UVpad y UVpad E son especialmente adecuados para el uso móvil.

Importancia para mediciones UV precisas

Conocer y corregir el desajuste es, por tanto, un requisito indispensable para mediciones UV fiables, especialmente en aplicaciones con fuentes de banda estrecha o espectralmente variables, como los sistemas de LED UV. Bajo petición, Opsytec calibra frente a la fuente realmente utilizada.

Si solo se va a medir una lámpara UV, el desajuste espectral se puede corregir muy bien; basta con indicar la lámpara o la aplicación.

Por ejemplo, una lámpara de mercurio de baja presión se utiliza a menudo como fuente de calibración para los detectores empleados en desinfección. La calibración se realiza, por ejemplo, en el rango espectral de 200 a 280 nm o de 240 a 290 nm.

Aunque este espectro efectivo cubre un amplio rango de longitudes de onda, en la práctica suele utilizarse únicamente la línea de 253,7 nm de la lámpara de mercurio para determinar la sensibilidad del radiómetro UV para esta única línea espectral.

El resultado de esta calibración proporciona así un valor de calibración para una condición de funcionamiento específica, pero sin ofrecer información sobre la sensibilidad espectral del detector.

Si desea medir muchas lámparas UV y LED UV diferentes, le recomendamos un espectrorradiómetro.
 

Para el lector interesado:

Normas y estándares de calibración

El desajuste espectral se describe en normas internacionales, en particular en la CIE 220:2016 - Métodos de caracterización y calibración de radiómetros UV.
Se recomienda ajustar la fuente de calibración lo más posible a la fuente de luz real de la aplicación.

Para aplicaciones con varias lámparas UV o LED UV, Opsytec recomienda el uso de un espectrorradiómetro para captar y evaluar por completo el espectro de emisión.
 

Lo que esto significa para la monitorización continua en una línea de producción -frecuencia de muestreo, banda del sensor e interfaz- se explica en la página de aplicación tecnología UV para automatización e integración de procesos.

¿Cómo se calcula el desajuste espectral?
Mediante el factor de desajuste F. Este relaciona lo que la función de respuesta ideal daría en la fuente medida con lo que indica realmente el sensor en ese punto, normalizando ambos valores respecto a la fuente de calibración:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
Se necesitan cuatro magnitudes: la irradiancia espectral de la fuente de calibración y de la fuente medida, además de la respuesta espectral real e ideal del sensor. La lectura se multiplica por F. Dado que la desviación es sistemática y reproducible, puede indicarse como un factor de corrección fijo en el certificado de calibración o almacenarse en el radiómetro como un rango de calibración.

¿Qué magnitud tiene el error en la práctica?
Eso depende de cuán distantes estén espectralmente la fuente de calibración y la fuente medida. Dentro de una misma curva de respuesta del sensor suele ser de unos pocos puntos porcentuales: para un sensor cuya respuesta relativa es 1,0 a 400 nm y 0,9 a 425 nm, el LED de 425 nm arroja una lectura aproximadamente un 10 % inferior a la real. Sin embargo, si un sensor calibrado con una lámpara de banda ancha se utiliza con un LED UV de banda estrecha, la lectura puede desviarse del valor ponderado real en varias decenas de puntos porcentuales. La desviación es reproducible y, por tanto, sistemática: puede corregirse, pero no se elimina promediando mediciones repetidas.

¿Cómo puede corregirse el desajuste espectral?
De tres maneras. Primero, mediante una calibración específica para la fuente: el sensor se calibra frente a la lámpara o el LED realmente utilizado. Segundo, de forma computacional: los radiómetros modernos almacenan el factor de calibración en el sensor y el rango correspondiente se selecciona en el instrumento; para sistemas más antiguos o de terceros, puede determinarse un factor de corrección e indicarse en el certificado de calibración. Tercero, con un espectrorradiómetro, que capta el espectro completo y, por tanto, está en principio libre de desajuste espectral. Con una única fuente a medir, la corrección funciona muy bien; con muchas fuentes distintas, el espectrorradiómetro es la vía segura.

¿Por qué una calibración a 253,7 nm no dice nada sobre la respuesta espectral?
Porque solo establece un único punto de operación. En desinfección, a menudo se utiliza como fuente de calibración una lámpara de mercurio de baja presión, y la calibración se referencia a un rango espectral de aproximadamente 200 a 280 nm o de 240 a 290 nm. En la práctica, de ella se utiliza casi exclusivamente la línea de 253,7 nm. El resultado es un valor de calibración válido exactamente para esa condición: no dice nada sobre la forma de la respuesta espectral del detector, ni es extrapolable a otras fuentes dentro del mismo rango espectral. Por ello, la norma CIE 220:2016 recomienda que la fuente de calibración se asemeje lo más posible a la fuente de la aplicación.