tiempo de integración

El tiempo de integración es la ventana durante la cual un instrumento acumula y promedia una señal antes de emitir una lectura. En la práctica, esto significa que el sensor recopila datos de carga, corriente o voltaje durante un período definido, luego los suma o promedia. Las ventanas de integración más largas reducen el ruido al distribuir las fluctuaciones aleatorias en más muestras, dejando la señal verdadera más fuerte en relación con la fluctuación. Un voltímetro configurado para integrar durante 1 segundo rechazará las frecuencias de ruido superiores a aproximadamente 1 Hz; uno que integre durante 10 milisegundos permitirá el paso de variaciones más rápidas, pero dejará más ruido.

Diferentes instrumentos utilizan el tiempo de integración de manera diferente. Los amplificadores lock-in lo emplean como una constante de tiempo de filtro, que generalmente oscila entre microsegundos y segundos, dependiendo de la frecuencia de modulación y la sensibilidad requerida. Los dispositivos de carga acoplada (CCD) y los sensores de imagen de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) lo utilizan como tiempo de exposición: los fotones inciden en el detector durante exactamente este tiempo antes de que se lean los valores de los píxeles. Los multímetros digitales a menudo permiten seleccionar modos 'rápidos' (alrededor de 100 ms) o 'lentos' (1 segundo o más), que en realidad son configuraciones de tiempo de integración disfrazadas.

La penalización por tiempos de integración largos es la latencia y la reducción de la tasa de medición. Si su ventana de integración es de un segundo, solo puede adquirir un nuevo punto de datos por segundo. En bucles de control en tiempo real o mediciones transitorias rápidas, esto se convierte en una limitación grave. Por el contrario, los tiempos de integración cortos significan lecturas más ruidosas y menor sensibilidad. La elección siempre implica una compensación: obtener datos rápidamente con más ruido o esperar más tiempo para obtener números más limpios.

Filtrado adaptado y ancho de banda

El nombre 'integración' proviene del acto matemático de sumar o integrar la señal a lo largo del tiempo. Formalmente, una integración más larga actúa como un filtro de paso bajo cuya frecuencia de corte es inversamente proporcional a la ventana de integración. Integre durante T segundos y atenuará las frecuencias superiores a aproximadamente 1/T hercios. Esta es la razón por la que el zumbido de la red (50 o 60 Hz) desaparece con una integración de 1 segundo en un instrumento de banco: la ventana de promediado se traga la oscilación por completo.

En el diseño de sensores, el tiempo de integración también determina el comportamiento del rango dinámico. Un píxel CCD que integra demasiado tiempo florece: la carga acumulada se desborda en los píxeles adyacentes. Demasiado corto, y se recolecta muy poca luz en condiciones de poca luz, desperdiciando el área del sensor por el ruido. La selección adecuada del tiempo de integración es uno de los primeros pasos en el diseño de un sistema de medición para un ancho de banda de señal y un nivel de ruido específicos, porque todas las decisiones posteriores sobre ganancia, filtrado y frecuencia de muestreo se basan en ello.