Como bien decís hay sistemas lineales como pueden ser las resistencias de platino y no lineales como pueden ser los sensores NTC. Hay circuitos electronicos que son capaces de linealizar un elemento no lineal en un rango con un error mínimo.Y tambien está la solucion de hacerlo por software con un microcontrolador.
En dispositivos de bajo coste una solucion bastante buena es colocar una resistencia en serie con un generador de corriente como pueda ser un AOP,con lo que la curva que decis que modela la no linealidad se hace mas "plana" a costa de sensibilidad del sensor.
Para los termómetros digitales que todos conocémos se suele usar una resistencia de platino o PT100 que es lineal, y para pasarla a un sistema digital, existen varios esquemas electrónicos. Un ejemplo. Si colocamos el voltaje de salida de la pt100 analógico a un condensador, y este a un interruptor, que se dispare cuando el condensador llegue a plena carga, y que a su vez pare un contador. La cuenta de éste, en formato digital sera proporcional al voltaje de salida del sensor. No sé si me explico bien, pero es una manera.
En cuanto a la calibración de sistemas como estos, que permiten un error relativamente grande, se suele hacer estadísticamente. Gracias a las tolerancias de los componentes (típicamente 5%, 2%, 1%,...) y al máximo error de las especificaciones del proyecto.
Si los sistemas permiten un error mucho menor se recurre a calibraciones por láser de los componentes. E incluso a calibraciones manuales.
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