Medición e instrumentación

Instrumentos, sensores, calibración, resolución, sensibilidad, adquisición de datos y trazabilidad de medidas.

Idea general del tema

La instrumentación científica es la tecnología que convierte magnitudes físicas del mundo real (temperatura, fuerza, campo magnético, fotones) en señales eléctricas cuantificables que pueden ser digitalizadas y procesadas. El límite de cualquier medición viene dado por el ancho de banda del instrumento, su tiempo de respuesta, la relación señal-ruido (SNR) y el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon.

Este nodo agrupa el funcionamiento de transductores (termopares, galgas extensométricas, fotodiodos, sensores Hall), acondicionamiento de señal (puente de Wheatstone, amplificadores operacionales, filtros activos) y digitalización con osciloscopios y tarjetas DAQ.

Que vas a comprender de verdad

Comprenderás cómo el teorema de Nyquist-Shannon impone una frecuencia de muestreo $f_s > 2 f_{\text{max}}$ para evitar el fenómeno de solapamiento espectral (aliasing), y por qué es obligatorio un filtro analógico paso-bajo antialiasing antes de la digitalización.

Aprenderás a diseñar circuitos de puente de Wheatstone para medir variaciones relativas de resistencia de $10^{-6}$ en galgas extensométricas y a utilizar amplificadores lock-in para extraer señales enterradas en un ruido miles de veces superior a la señal.

Ruta didáctica recomendada

1. Transductores y sensores: principios físicos de termorresistencias (PT100), termopares (efecto Seebeck), fotodiodos y sensores piezoeléctricos.
2. Acondicionamiento de señal: puentes de Wheatstone, amplificadores de instrumentación de alta impedancia de entrada y filtros pasivos/activos.
3. Ruido electrónico e interferencias: ruido térmico de Johnson-Nyquist, ruido de disparo (shot noise), ruido $1/f$ y técnicas de apantallamiento electromagnético.
4. Adquisición digital y osciloscopios: convertidores analógico-digitales (ADC) de $N$ bits, rango dinámico, muestreo y análisis en el dominio del tiempo y de la frecuencia (FFT).

Criterio físico que debes adquirir

Comprender el efecto de carga del instrumento: cómo la resistencia interna de un voltímetro o la capacitancia de una sonda de osciloscopio pueden alterar el propio circuito que se está midiendo si no se eligen adecuadamente.

Conexión con problemas reales

• Instrumentación científica en telescopios espaciales y detectores de partículas subatómicas.
• Sistemas de telemetría y control en automoción, aeronáutica y robótica avanzada.
• Equipamiento biomédico: electrocardiogramas (ECG), electroencefalogramas (EEG) y sensores de oximetría.

Meta final del tema

Dominar la física de los sensores, el acondicionamiento analógico de señales y la digitalización con control de ruido para diseñar montajes experimentales de alta precisión.