Como funcionam os sensores UV: design e erros de medição

Um sensor UV converte a radiação óptica em um sinal elétrico. A leitura resulta do detector, filtro, óptica, eletrônica, calibração e geometria de medição; portanto, nunca é uma propriedade exclusiva do detector. O que importa para a comparabilidade das medições UV é, acima de tudo, a responsividade espectral, a resposta cosseno, a faixa dinâmica, a luz difusa e a correspondência com a fonte real.

Esta página acompanha o caminho do sinal e mostra onde surgem os erros de medição ao longo dele. Radiômetros de banda larga e espectrorradiômetros servem como os dois designs nos quais diferentes fontes de erro se manifestam de forma mais clara. Ambos os termos são comuns para a resposta angular: correção cosseno refere-se à medida tomada no sensor, resposta cosseno ao resultado.

Toda medição UV começa com a pergunta sobre qual grandeza deve ser determinada. Na prática industrial, quase sempre se trata da irradiância E em W/m², a potência radiante que incide sobre uma superfície. Integrada ao longo do tempo, a irradiância se torna exposição radiante H em J/m², comumente chamada de "dose" – a grandeza determinante tanto na desinfecção UV segura quanto na cura UV. A conversão entre as duas é feita pela nossa calculadora de radiometria para UV e luz.

Para uma fonte pontual que irradia em todas as direções, aplica-se a lei do inverso do quadrado: ao dobrar a distância de medição, o mesmo fluxo radiante se distribui sobre uma área quatro vezes maior, de modo que a irradiância cai para um quarto.

Essa lei é válida sob uma condição que costuma ser negligenciada na prática: a fonte deve ser pontual do ponto de vista do sensor. A regra prática estabelecida é uma distância de medição de r ≥ 10 · d, sendo d a maior dimensão da superfície emissora.

Duas outras condições são igualmente importantes: a orientação do sensor em relação à fonte e a questão de qual faixa espectral está sendo ponderada. Ambas influenciam diretamente o projeto dos instrumentos.

Um radiômetro de banda larga pondera a radiação incidente com uma função de responsividade espectral fixa s(λ) integrada à sua óptica e retorna um único número. O cabeçote de medição é uma pilha de componentes ópticos, e a ordem deles não é acidental.

Janela óptica. Geralmente de sílica fundida, pois o vidro comum de sódio-cal é praticamente opaco abaixo de cerca de 300 nm. A janela protege os componentes atrás dela e veda o cabeçote contra os meios do processo.

Difusor. Ele espalha a radiação incidente e, com isso, cria a resposta angular em formato de cosseno. O difusor não é um acessório, mas o componente que, em primeiro lugar, torna a leitura uma grandeza relacionada à área.

Pilha de filtros. É aqui que a ponderação espectral real é criada – tipicamente a partir de uma combinação de filtros de interferência e vidro colorido. A pilha determina se o instrumento mede UV-A, UV-B, UV-C ou um espectro de ação específico da aplicação.

Detector. Fotodiodos de silício são o padrão; para aplicações em UV-C, diodos de SiC são cada vez mais usados porque são intrinsecamente cegos no visível e, assim, aliviam a pilha de filtros.

Um amplificador de transimpedância então converte a fotocorrente em uma tensão, e um conversor A/D a digitaliza. A grande vantagem dessa concepção: uma fotocorrente pode ser medida de forma linear ao longo de muitas décadas. Os radiômetros, portanto, alcançam uma faixa dinâmica que um espectrômetro de matriz não consegue igualar – e são robustos, compactos e comparativamente econômicos.

A norma ASTM G130-12(2020) classifica esses instrumentos pela largura à meia altura Δλ de sua função de responsividade em radiômetros de banda estreita (Δλ ≤ 20 nm), instrumentos de banda larga (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) e instrumentos de banda muito larga (Δλ ≥ 70 nm). Essa classificação é mais do que terminologia: quanto mais amplo o intervalo espectral, mais fortemente a leitura depende do espectro da fonte que está sendo medida.

Um espectrorradiômetro dispersa a radiação em seus componentes espectrais e mede a irradiância espectral E(λ) em W/(m²·nm). Qualquer faixa espectral e qualquer espectro de ação podem então ser derivados por cálculo a partir desse espectro – e é exatamente aí que reside a versatilidade dessa classe de instrumentos.

O caminho óptico começa, como no radiômetro, com uma óptica de entrada, geralmente um difusor atuando como receptor cosseno. Uma fibra óptica conduz a radiação até a fenda de entrada. Um espelho colimador forma um feixe paralelo que incide sobre uma grade óptica. A grade dispersa a radiação por comprimento de onda, e um espelho de focalização projeta o espectro resultante sobre um arranjo de detectores – CCD ou CMOS.

Por mais elegante que seja o princípio, sua fragilidade física é implacável. Uma grade produz não apenas a ordem de difração desejada, a primeira, mas também ordens superiores que precisam ser desviadas do caminho do feixe. A isso soma-se o espalhamento em espelhos, suportes e superfícies do invólucro. Ambos os mecanismos depositam componentes de sinal de comprimento de onda longo na posição de um comprimento de onda curto.

Um radiômetro de banda larga nunca mede "a radiação UV-A". Ele forma uma integral ponderada do produto entre o espectro da fonte e a função de responsividade. Enquanto o espectro da fonte medida corresponder ao da lâmpada de calibração, isso não é problemático. Quando ele difere, surge o erro de incompatibilidade espectral.

Isso se torna particularmente crítico quando a emissão do objeto de teste recai sobre uma das bordas da curva de responsividade. As tolerâncias de fabricação do filtro se traduzem então diretamente na leitura. Isso não é uma preocupação teórica: para um filtro passa-alta UV-B do tipo WG320, a borda de 50 % pode situar-se em qualquer ponto entre aproximadamente 314 nm e 326 nm dentro da especificação do fabricante. Dependendo de qual exemplar está instalado, a mesma fonte produz desvios que variam de alguns décimos de por cento até a faixa de poucos pontos percentuais – sem que o instrumento esteja "com defeito".

A norma CIE 220:2016 "Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (elaborada pelo comitê CIE TC 2-47) descreve uma abordagem sistemática. O relatório transfere para os radiômetros UV os índices de qualidade já conhecidos da fotometria na ISO/CIE 19476:2014 – entre eles f1′ para a incompatibilidade espectral, f2 para a resposta angular, f3 para a linearidade, além de índices para efeitos de fadiga, temperatura e umidade. Como os radiômetros UV, diferentemente dos luxímetros, não são projetados para um único iluminante de referência, a CIE 220:2016 define três espectros de referência e acrescenta, em seu anexo, dez espectros de fontes reais – de lâmpadas de mercúrio de baixa e média pressão, passando por fontes de xenônio e HMI, até o espectro solar.

Consequência prática: quem conhece a responsividade espectral do seu radiômetro e o espectro da sua fonte pode calcular o fator de incompatibilidade e aplicá-lo como fator de correção. Isso exige, no entanto, que o fabricante informe no certificado de calibração a responsividade espectral relativa medida individualmente e o espectro da lâmpada de calibração.

Medir na faixa UV-C apresenta uma dificuldade que parece paradoxal a princípio: o problema não é o UV, é tudo o mais. Uma lâmpada de mercúrio de média pressão emite uma potência ordens de magnitude maior na faixa visível e no infravermelho próximo do que na faixa espectral UV-C. Se mesmo uma fração dessa potência se dispersar para o canal de 254 nm dentro do instrumento, surge ali um sinal aparente que pode superar a leitura real. O quão pronunciado é esse desequilíbrio para uma determinada lâmpada é mostrado pelo explorador do banco de dados espectral.

As ordens de magnitude diferem drasticamente: um monocromador duplo alcança uma luz espúria relativa de cerca de 10⁻⁷ a 10⁻⁹, um espectrômetro de arranjo (array) situa-se em 10⁻³ a 10⁻⁵, e um micro-espectrômetro de arranjo apenas em 10⁻¹ a 10⁻².

Um monocromador duplo faz a radiação passar duas vezes sobre uma grade de difração e, com isso, suprime a luz espúria em várias décadas mais do que um sistema de estágio único. O preço é o tamanho, o tempo de medição e o custo – por isso ele é usado como instrumento de referência de laboratório, e não em campo.

A situação é agravada pela sensibilidade ao infravermelho dos arranjos de detectores baseados em silício: eles são mais sensíveis justamente onde a radiação interferente é mais forte. Sem filtros adequados de separação de ordens e uma correção documentada de luz espúria, as medições UV-C com espectrômetros de arranjo compactos carregam incertezas substanciais e, muitas vezes, desconhecidas.

A irradiância é definida como a potência radiante por unidade de área – medida em uma superfície plana. Quando a radiação incide obliquamente, o mesmo fluxo se distribui sobre uma área maior, de modo que o sinal deve cair conforme cos θ. Um receptor real apenas se aproxima disso: em ângulos de incidência grandes, ocorrem reflexões nas interfaces.

O índice de qualidade f2 descreve o desvio médio em relação à curva de cosseno ideal. Ele é decisivo sempre que a radiação não incide perpendicularmente: em reatores de desinfecção UV, em câmaras de irradiação com paredes refletoras, na cura de materiais em bobina (web curing). Em uma câmara com paredes altamente refletoras, o componente difuso pode exceder o direto – um sensor com resposta angular deficiente então subestima sistematicamente a leitura.

Na prática, a qualidade da correção de cosseno costuma ser evidente apenas pelo design: pelo tamanho e pela difusividade da óptica de entrada, e por quanto ela se projeta além da borda do invólucro.

As fontes utilizadas na tecnologia UV diferem em irradiância espectral por mais de sete décadas – da lâmpada de deutério usada como padrão de calibração até a lâmpada de mercúrio de 6 kW em uma linha de cura.

Um radiômetro totalmente digital abrange essa faixa por meio da medição de fotocorrente e da comutação de faixas. Um espectrômetro de arranjo é limitado pela capacidade total do poço de seus pixels e pelo piso de ruído de leitura; ele funciona por meio do ajuste do tempo de integração, o que custa tempo de medição e encontra limites em ambas as extremidades da faixa.

A mesma distinção se aplica ao conversor analógico-digital. Sua resolução – 12, 16 ou 24 bit – determina com que precisão a leitura é exibida e quão ampla é a faixa dinâmica utilizável. Isso não diz nada sobre a precisão da medição: essa decorre da calibração e da correspondência espectral com a fonte que está sendo medida.

Um valor medido sem rastreabilidade metrológica é um número sem referência. A cadeia metrológica vai desde o instituto nacional de metrologia até o instrumento na linha de produção – e a incerteza aumenta a cada etapa.

No topo está o instituto nacional de metrologia – o PTB na Alemanha, o NIST nos Estados Unidos – que realiza a unidade. Abaixo dele vem o laboratório de calibração acreditado conforme ISO/IEC 17025, que trabalha com seus próprios padrões e cuja competência é avaliada regularmente por um organismo de acreditação. Laboratórios de ensaio medem de acordo com um procedimento escrito. Uma calibração de fábrica pode até ser rastreável, mas não é assegurada por avaliação independente. Na base está a calibração não rastreável: ela fornece números reprodutíveis, mas nenhuma incerteza de medição defensável.

O caminho usual começa em um padrão espectral – uma lâmpada FEL de 1000 W para a faixa UV-A e visível, uma lâmpada de deutério para a faixa de ondas curtas. Um espectrorradiômetro é calibrado em relação a esse padrão (ASTM G138-12(2020)e1). O espectrorradiômetro calibrado então mede uma lâmpada UV semelhante à de produção – ou seja, uma fonte espectralmente o mais parecida possível com o objeto de medição final. O radiômetro de referência é calibrado em relação a essa lâmpada (ASTM G130-12(2020)) e, a partir daí, a calibração é finalmente transferida para os instrumentos de campo (ASTM E824-26).

O segredo está na terceira etapa: ao usar uma lâmpada semelhante à de produção como fonte de transferência, o radiômetro é calibrado sob as mesmas condições espectrais em que fará suas medições posteriormente. A incompatibilidade espectral – a principal fonte de erro do radiômetro de banda larga – é assim amplamente eliminada. É justamente por isso que um radiômetro de banda larga devidamente calibrado pode superar um espectrorradiômetro em precisão para um tipo de lâmpada conhecido.

Duas famílias de lâmpadas servem à própria calibração: fontes de linha, como lâmpadas de mercúrio de baixa pressão, para a calibração de comprimento de onda, e fontes de espectro contínuo – lâmpadas de deutério e de halogênio-tungstênio – para a calibração da responsividade espectral. As lâmpadas de halogênio exigem cuidado especial, pois sua forte emissão de ondas longas é espalhada dentro do instrumento e, se não corrigida, produz exatamente o erro de luz espúria que se está tentando medir.

Para a incerteza de medição, isso significa: o certificado de calibração não fornece apenas um fator, ele também define a fonte e a geometria para as quais esse fator é válido. Quanto mais a medição se afasta dessas condições, maior é a contribuição da calibração para a incerteza total. Como a calibração funciona em detalhe está descrito em o procedimento de calibração UV.

A CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) é o texto de referência atual para medições espectrorradiométricas na faixa de 200 nm a 2500 nm. Ela substitui a quase quarentenária CIE 063-1984 e apresenta uma descrição detalhada dos efeitos físicos que devem ser considerados na estimativa da incerteza de medição.

Na prática, surge um padrão característico: a menor incerteza de medição alcançável é maior na região do UV de onda curta e diminui em direção a comprimentos de onda mais longos. Valores típicos para calibrações acreditadas ficam em torno de 6 % na faixa próxima de 200–230 nm, cerca de 3,5 % no UV-B e UV-A, e pouco menos de 3 % na faixa visível (incerteza de medição expandida, k = 2). Os motivos desse padrão são físicos: menor radiância dos padrões, efeitos de luz espúria mais intensos e maior sensibilidade dos materiais ópticos ao envelhecimento e à contaminação.

Cada um dos dois formatos tem exatamente uma fonte de erro dominante, e os dois são complementares: incompatibilidade espectral para o radiômetro de banda larga, luz difusa para o espectrorradiômetro. A seleção decorre disso:

• Se o tipo de lâmpada é conhecido e permanece constante, um radiômetro de banda larga adequadamente calibrado oferece a menor incerteza de medição – com faixa dinâmica mais ampla, tempo de resposta mais curto e maior robustez.
• Se a fonte muda, é desconhecida, ou é necessário avaliar um espectro de ação, não há como evitar a medição espectral.
• Em muitas instalações, a combinação é a melhor solução: verificação espectral em intervalos mais longos, monitoramento contínuo do processo por medição de banda larga.

A comparação completa, critério por critério, é apresentada em como escolher entre um radiômetro de banda larga e um espectrorradiômetro.

Por que uma medição UV-C exige cuidado especial?
Porque a maioria das fontes UV emite ordens de grandeza mais potência no visível e no infravermelho do que no UV-C – e os detectores baseados em silício são mais sensíveis exatamente nessa faixa. A luz espúria dentro do instrumento pode, portanto, produzir um sinal UV-C aparente maior do que o real.

O que é incompatibilidade espectral?
O erro que surge quando o espectro da fonte medida difere do espectro da lâmpada usada para calibrar o instrumento. A CIE 220:2016 descreve como quantificá-lo e como aplicá-lo como fator de correção.

A que distância da lâmpada as medições devem ser feitas?
Distante o suficiente para que a fonte se comporte como uma fonte pontual do ponto de vista do sensor – como regra geral, pelo menos dez vezes sua maior dimensão. Medições a distâncias menores continuam sendo leituras válidas, mas não devem ser escaladas para outras distâncias usando a lei do inverso do quadrado.

Por que o certificado de calibração é tão importante?
Porque ele informa a fonte de calibração, a responsividade espectral e a incerteza de medição. Sem esses três elementos, uma leitura não pode ser comparada com um valor limite, com outro instrumento ou com uma medição anterior.

Como a temperatura altera a irradiância?
A temperatura atua nos dois lados da medição: o fotodiodo e os filtros de um sensor são dependentes da temperatura, mais fortemente no UVC do que no UVA, e tanto as lâmpadas de mercúrio quanto os LEDs UV alteram tanto a potência radiante quanto o comprimento de onda de pico com a temperatura de operação. Valores reproduzíveis, portanto, exigem uma temperatura de operação definida e uma distância fixa e documentada.

Seis perguntas determinam se uma leitura UV é confiável:

• A responsividade espectral corresponde à emissão da fonte e à função de ponderação pretendida?
• Está sendo medida radiação direcionada ou distribuída espacialmente, e a resposta angular é adequada a isso?
• A leitura se encontra com segurança dentro da faixa de medição e da faixa dinâmica?
• Comprimentos de onda secundários ou luz difusa podem distorcer o resultado?
• A calibração se refere a uma fonte e geometria suficientemente semelhantes?
• A incerteza de medição é suficientemente pequena para o limite do processo?

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