SENSOR DAN TRANDUCER

BAB I

SENSOR DAN TRANDUCER

1. Fungsi Sensor dan Tranducer

Dalam kaitannya dengan sistem elektronis, Sensor dan transduser pada dasarnya dapat di­pandang sebagai sebuah perangkat atau device yang berfungsi mengubah suatu besaran fisik menjadi besaran listrik, sehingga keluarannya dapat diolah dengan rangkaian listrik atau sistem digital . Dewasa ini, hampir seluruh peralatan modern memiliki sensor di dalamnya.

  dengan perkembangan teknologi yang begitu luar biasa, pada saat ini, banyak sensor telah dipabrikasi dengan ukuran sangat kecil hingga orde nanometer sehingga menjadikan sensor sangat mudah digunakan dan dihemat energinya. Gambar 1.2 berikut memperlihatkan salah satu contoh sensor MEMS Gyroscope dalam ukuran satuan mm.

sensor kimia merupakan sen­sor yang mendeteksi jumlah suatu zar kimia dengan jalan mengubah besaran kimia men­jadi besaran listrik dimana di dalamnya dilibatkan beberapa reaksi kimia, seperti misal­nya pada sensor pH, sensor oksigen, sensor ledakan, serta sensor gas. Gambar 1.3 dan 1.4 dibawah berturut-turut memperlihatkan salah satu contoh sensor besaran fisika dan sensor besaran kimi dalam kehidupan sehari-hari, dimana aplikasinya mencakup berbagai bidang, yaitu seperti: automobile, mesin, kedokteran, indistri, robot, maupun aerospace.

Dalam lingkungan sistem kontrol dan robotika, sensor memberi fungsi seperti layaknya mata, pendengaran, hidung, maupun lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroller sebagai otaknya.Berikut adalah beberapa jenis sensor yang dapat dijumpai di lapangan

1.1. Sensor proximity

Sensor proximity merupakan sensor atau saklar yang dapat mendeteksi adanya target jenis logam dengan tanpa adanya kontak fisik. Biasanya sensor ini tediri dari alat elektronis solid-state yang terbungkus rapat untuk melindungi dari pengaruh getaran, cairan, kimiawi, dan korosif yang berlebihan. Sensor proximity dapat diaplikasikan pada kondisi penginderaan pada objek yang dianggap terlalu kecil atau lunak untuk menggerakkan suatu mekanis saklar.

1.2 Sensor Magnet

Sensor Magnet atau disebut juga relai buluh, adalah alat yang akan terpengaruh medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran. Seperti layaknya saklar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya medan magnet di sekitarnya. Biasanya sensor ini dikemas dalam bentuk kemasan yang hampa dan bebas dari debu, kelembapan, asap ataupun uap.

1.3  Sensor Sinar

Sensor sinar terdiri dari 3 kategori. Fotovoltaic atau sel solar adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya akan menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan. Demikian pula dengan Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan (resistansi) pada sel-selnya, semakin tinggi intensitas cahaya yang terima, maka akan semakin kecil pula nilai tahanannya. Sedangkan Fotolistrik adalah sensor yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan karena perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser) ataupun target pemantulnya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya dan penerima.

1.4  Sensor Ultrasonik

Sensor ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindera diantaranya adalah: objek padat, cair, butiran maupun tekstil.

1.5. Sensor Tekanan

Sensor tekanan - sensor ini memiliki transduser yang mengukur ketegangan kawat, dimana mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dasar penginderaannya pada perubahan tahanan pengantar (transduser) yang berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya.

Strain gage adalah sebuah contoh transduser pasif yang mengubah pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan. Sensitivitas sebuah strain gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang disebut factor gage (factor gage), K, yang didefinisikan sebagai perubahan satuan tahanan dibagi dengan perubahan satuan panjang

dimana K = factor gage

R =tahanan nominal gage AR = pembahan tahanan gage 1 = p anjang nominal (kondisi tidak teregang) Al=pembahan panjang

suku Al/l dalam persamaan (1) adalah regangan a, sehingga menjadi:

α=M/ R

dimana α= regangan dai am arah lateral.

Perubahan tahanan R pada sebuah konduktor yang penjangnya l dapat dihitung dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor yang penampangnya serba sama, yaitu:

panjang px!

K= P---------------------------- =----------- t ........................  W

luas (xi4)d

dimana;

p = tahanan spesifik dan bahan konduktor / = panjang konduktor d = diameter konduktor

tarikan (tension) terhadap konduktor menyebabkan pertambahan panjang l dan pengurangan secara bersamaan pada diameter d.

1.6  Sensor Kecepatan (RPM)

Proses penginderaan sensor kecepatan merupakan proses kebalikan dari suatu motor, dimana suatu poros/object yang berputar pada suatui generator akan menghasilkan suatu tegangan yang sebanding dengan kecepatan putaran object. Kecepatan putar sering pula diukur dengan menggunakan sensor yang mengindera pulsa magnetis (induksi) yang timbul saat medan magnetis terjadi.

1.7  Sensor Penyandi (Encoder)

Sensor Penyandi (Encoder) digunakan untuk mengubah gerakan linear atau putaran menjadi sinyal digital, dimana sensor putaran memonitor gerakan putar dari suatu alat. Sensor ini biasanya terdiri dari 2 lapis jenis penyandi, yaitu; Pertama, Penyandi rotari tambahan (yang mentransmisikan jumlah tertentu dari pulsa untuk masing-masing putaran) yang akan membangkitkan gelombang kotak pada objek yang diputar. Kedua, Penyandi absolut (yang memperlengkapi kode binary tertentu untuk masing-masing posisi sudut) mempunyai cara kerja sang sama dengan perkecualian, lebih banyak atau lebih rapat pulsa gelombang kotak yang dihasilkan sehingga membentuk suatu pengkodean  dalam susunan tertentu

Gambar 1.4. Sensor Penyandi

1.8. Sensor Suhu

Terdapat 4 jenis utama sensor suhu yang umum digunakan, yaitu thermocouple (T/C)- lihat gambar 1.6, resistance temperature detector (RTD), termistor dan IC sensor. Thermocouple pada intinya terdiri dari sepasang transduser panas dan dingin yang disambungkan dan dilebur bersama, dimana terdapat perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding. Resistance Temperature Detector (RTD) memiliki prinsip dasar pada tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dengan tingkat konsisten/kestabilan yang tinggi pada pendeteksian tahanan. Platina adalah bahan yang sering digunakan karena memiliki tahanan suhu, kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas. Termistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif, karena saat suhu meningkat maka tahanan menurun atau sebaliknya. Jenis ini sangat peka dengan perubahan tahan 5% per C sehingga mampu mendeteksi perubahan suhu yang kecil. Sedangkan IC Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian terpadu yang menggunakan chipsilikon untuk kelemahan penginderanya. Mempunyai konfigurasi output tegangan dan arus yang sangat linear.

DEGREES FAHRENHEIT

ISA	Material	Temperature Range (°F)	Sensitivity 25°C (77°F) |iV/°C (MV/*F)
	Chromel &	-270-1000 (-4SQ~1800)	60.9 (38.3)
E	Constantan (Ni-Cr & Cu-Ni)
J	Iron a. Constantan (Fe & Cu-Ni)	-210-1200 (-350~2200)	51.7 (28.7)
K	Chromel & Alumel (Ni-Cr & Ni-Al)	- 270—1350 (-450-2500)	40.6 (22.6)
T	Copper & Constantan (Cu & Cu-Ni)	-270-400	40.6
1		(-450—750)	(22.6)
R	Platinum & 87% Platinum/ 13% Rhodium (Pt & Pt-Rh)	-50-1750 (-60-3200)	6 (3.3)
S	Platinum & 90% Platinum/ 10% Rhodium (Pt & Pt-Rh)	-50-1750 (-60-3200)	6 (3.3)

                                                                                                                            

Tabel  1.6. Karakteristik Beberapa Jenis Thermocouple J-TC

1.9. Sensor Efek Hall

Sensor Efek-Hall dirancang untuk merasakan adanya objek magnetis dengan perubahan posisinya. Perubahan medan magnet yang terus menerus menyebabkan timbulnya pulsa yang kemudian dapat ditentukan frekuensinya, sensor jenis ini biasa digunakan sebagai pengukur kecepatan.

Sensor Hall Effect digunakan untuk mendeteksi kedekatan (proximity), kehadiran atau ketidakhadiran suatu objek magnetis (yang) menggunakan suatu jarak kritis. Pada dasarnya ada dua tipe Half-Effect Sensor, yaitu tipe linear dan tipe on-off. Tipe linear

digunakan untuk mengukur medan magnet secara linear, mengukur arus DC dan AC pada konduktordan funsi-fungsi lainnya. Sedangkan tipe on-off digunakan sebagai limit switch, sensor keberadaan (presence sensors), dsb. Sensor ini memberikan logika output sebagai interface gerbang logika secara langsung atau mengendalikan beban dengan buffer amplifier.

Gambar 1.7. Diagram Hall Effec

Keterangan gambar :

1.    Elektron

2.    Sensor Hall atau Elemen Hall

3.    Magnet

4.    Medan Magnet

5.    Power Source

Gambar diagram hall effect tersebut tersebut menunjukkan aliran elektron. Dalam gambar A menunjukkan bahwa elemen Hall mengambil kutub negatif pada sisi atas dan kutub positif pada sisi bawah. Dalam gambar B dan C, baik arus listrik ataupun medan magnet dibalik, menyebabkan polarisasi juga terbalik. Arus dan medan magnet yang dibalik ini menyebabkan sensor Hall mempunyai kutub negatif pada sisi atas.

Hall Effect tergantung pada beda potensial (tegangan Hall) pada sisi yang berlawanan dari sebuah lembar tipis material konduktor atau semikonduktor dimana arus listrik mengalir, dihasilkan oleh medan magnet yang tegak lurus dengan elemeh Hall. Perbandingan tegangan yang dihasilkan oleh jumlah arus dikenal dengan tahanan Hall, dan tergantung pada karakteristik bahan. Dr. Edwin Hall menemukan efek ini pada tahun 1879.

Hall Effect dihasilkan oleh arus pada konduktor. Arus terdiri atas banyak beban kecil yang membawa partikel-partikel (biasanya elektron) dan membawa gaya Lorentz pada medan magnet. Beberapa beban ini berakhir di sisi - sisi konduktor. Ini hanya berlaku pada konduktor besar dimana jarak antara dua sisi cukup besar.

Salah satu yang paling penting dari Hall Effect adalah perbedaan antara beban positif bergerak dalam satu arah dan beban negatif bergerak pada kebalikannya. Hall Effect memberikan bukti nyata bahwa arus listrik pada logam dibawa oleh elektron yang bergerak, bukan oleh proton. Yang cukup menarik, Hall Effect juga menunjukkan bahwa dalam beberapa substansi (terutama semikonduktor), lebih cocok bila kita berpikir arus sebagai "holes" positif yang bergerak daripada elektron.

	B.
		✓
	/
	+ y
	y t-
	V
II

Gambar 1.8 Pengukuran Tegangan Hall

Dengan mengukur tegangan Hall yang melalui bahan, kita dapat menentukan kekuatan medan magnet yang ada. Hal ini bisa dirumuskan :

Dimana Vh adalah tegangan yang melalui lebar pelat, I adalah arus yang melalui panjang pelat, B adalah medan magnet, d adalah tebal pelat, e adalah elektron, dan n adalah kerapatan elektron pembawa. Dalam keberadaan kekuatan medan magnetik yang besar dan temperatur rendah, kita dapat meneliti quantum Hall effect, yang dimana adalah kuantisasi tahanan Hall.

Dalam bahan ferromagnetik (dan material paramagnetik dalam medan magnetik), resistivitas Hall termasuk kontribusi tambahan, dikenal sebagai Anomalous Hall Effect (Extraordinary Hall Effect), yang bergantung secara langsung pada magnetisasi bahan, dan sering lebih besar dari Hall Effect biasa. Walaupun sebagai sebuah fenomena yang dikenal baik, masih ada perdebatan tentang keberadaannya dalam material yang bervariasi. Anomalous Hall Effect bisa berupa efek ekstrinsik bergantung pada putaran yang menyebar dari beban pembawa, atau efek intrinsik yang dapat dijelaskan dengan efek Berry phase dalam momentum space kristal.

Hall effect menghasilkan level sinyal yang sangat rendah dan membutuhkan amplifikasi. Amplifier tabung vakum pada abad 20 terlalu mahal, menghabiskan tenaga dan kurang andal dalam aplikasi sehari-hari. Dengan pengembangan IC berharga murah maka Hall Effect Sensor menjadi berguna untuk banyak aplikasi. Alat Hall Effect saat disusun den­gan tepat akan tahan dengan debu, kotoran, lumpur dan air. Sifat ini menyebabkan alat Hall Effect lebih baik untuk sensor posisi daripada alat alternatif lainnya seperti sensor optik dan elektromekanik.

Hall effect sensor sering dipakai untuk Split ring clamp-on sensor, Analog multiplication, Power sensing, Position and motion sensing, Automotive ignition dan fuel injection serta Wheel rotation sensing. Sensor ini banyak tersedia di berbagai macam pabrik, dan digunakan untuk sensor-sensor yang bervariasi seperti sensor aliran cairan, sensor power dan sensor tekanan.

Sensor Efek Hall digunakan untuk mendeteksi kedekatan (proximity), kehadiran atau ketidakhadirannya suatu objek magnetis (yang) menggunakan suatu jarak kritis. Pada dasarnya ada dua tipe Hall-Effect Sensor, yaitu tipe linear dan tipe on-off. Tipe linear di­gunakan untuk mengukur medan magnet secara linear, mengukur arus DC dan AC pada konduktor dan fungsi-fungsi lainnya. Sedangkan tipe on-off digunakan sebagai limit switch, sensor keberadaan (presence sensors), dsb. Sensor ini memberikan logika output sebagai interface gerbang logika secara langsung atau mengendalikan beban dengan buffer amplifier.

Gambar 1.9 presence sensors

Sensor efek hall yang tampak seperti pada gambar diatas  yang hanya terdiri dari sebuah lapisan silikon dan dua buah elektroda pada masing – masing sisi dari lapisan silikon. Hal ini akan menghasilkan perbedaan tegangan ketika lapisan silikon ini dialiri arus listrik. Bila tidak ada medan magnet yang dideteksi maka arah arus listrik yang mengalir pada silikon tersebut akan tepat ditengah – tengah lapisan silikon dan akan menghasilkan tegangan 0 Volt karena tidak ada beda tegangan antara elektroda sebelah kiri dan elektroda sebelah kanan.
Bila ada medan magnet yang terdeteksi oleh sensor efek hall maka arah arus listrik yang mengalir pada lapisan silikon akan berbelok mendekati atau menjauhi sisi elektroda yang dipengaruhi oleh medan magnet.

Ketika arus yang melalui lapisan silikon tersebut mendekati sisi elektroda sebelah kiri maka akan terjadi beda potensial pada hasil keluarannya. Semakin besar kekuatan medan magnet yang dideteksi oleh sensor efek hall akan menyebabkan pembelokan arah arus listrik pada lapisan silikon tersebut juga akan semakin besar dan beda potensial yang dihasilkan di antara kedua sisi elektroda pada lapisan silikon sensor efek hall                      juga akan semakin besar.

Arah pembelokan arus listrik pada lapisan silikon ini dapat digunakan untuk mengetahui atau mengidentifikasi polaritas atau kutub medan magnet pada sensor efek hall. Sensor efek hall ini dapat bekerja jika hanya salah satu sisi elektroda pada sensor efek hall dipengaruhi oleh medan magnet. Jika kedua sisi silikon dipengaruhi oleh medan magnet maka arah arus listrik pada lapisan silikon tidak akan mengalami pembelokan.

1.10          Reflective-Opto Switch

Alat ini terdiri dari pasangan emitter/detektor pada tempat yang sama. Emitter meradi­asikan cahaya UV dan jika tidak ada halangan yang akan memantulkan cahaya tersebut, maka tidak akan ada cahaya yang diterima oleh detektor.

Jika objek pemantul (dengan warna/permukaan yang sesuai) dibuat menghadap alat ini, detektor (photoresistor) mensaturasi output, sehingga terbentuk sinyal logika.

Emitter dan detektor disesuaikan, di mana detektor mempunyai puncak sensitivitas yang bersesuaian dengan panjang gelombang emitter. Seberapa baik pendeteksian suatu objek tergantung pada :

•             Jumlah cahaya yang dipancarkan oleh suatu sumber cahaya.

•             Kepekaan photodetector.

•             Jarak antara switch dari objek.

•             Kondisi cahaya dari lingkungan sekitar.

•             Kedudukan tegak lurus permukaan dari pantulan cahaya dengan switch.

1.11     Proximity Switch Induktif

Alat ini diklasifikasikan sebagai berikut :

•       Bersumber daya AC atau DC.

•       2 terminal, di mana beban dihubungkan antara terminal satu dengan sumber AC atau DC, sementara terminal lain merupakan GND.

•       terminal, dua terminal di antaranya adalah sumber tegangan dan GND, sedangkan terminal lainnya adalah output beban yang dihubungkan dengan sumber tegangan (tipe NPN ) atau ke GND (tipe PNP).

Alat ini terdiri dari suatu osilator, demodulator, trigger, dan switching amplifier. Alat ini beroperasi dengan prinsip transistor osilator yang operasinya dumped ketika objek metal mendekati elemen yang beresonansi. Efisiensi dumping effect ini tergantung dari tipe metal dan jarak.

Jika objek metal memasuki medan magnet kumparan osilator, arus pusar akan diinduksi pada kumparan yang mengubah amplitudo osilasi. Demodulator akan mengkonversi perubahan amplitudo menjadi sinyal DC yang akan mengaktifkan trigger. Keuntungan Penggunaan Proximity Switch induktif :

•            Tidak perlu ada kontak fisik secara langsung antara pemakai dengan sistem.

•             Dapat bekerja di lingkungan dengan kondisi apapun.

•             Responnya berjalan dengan cepat.

•             Awet dan tahan lama.

1.12. Transduser

Transduser (Inggris: transducer) adalah sebuah alat yang mengubah satu bentuk daya menjadi bentuk daya lainnya untuk berbagai tujuan termasuk pengubahan ukuran atau informasi (misalnya, sensor tekanan). Transduser bisa berupa peralatan listrik, elektronik, elektromekanik, elektromagnetik, fotonik, atau fotovoltaik. Dalam pengertian yang lebih luas, transduser kadang-kadang juga didefinisikan sebagai suatu peralatan yang mengubah suatu bentuk sinyal menjadi bentuk sinyal lainnya. Contoh yang umum adalah pengeras suara (audio speaker), yang mengubah beragam voltase listrik yang berupa musik atau pidato, menjadi vibrasi mekanis. Contoh lain adalah mikrofon, yang mengubah suara kita, bunyi, atau energi akustik menjadi sinyal atau energi listrik.

Suatu definisi mengatakan “transducer adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh energi di dalam sebuah sitem transmisi, menyalusrkan energi dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua”. Transmisi kedua ini bisa listrik, mekanik, kimia, optik (radiasi) atau termal (panas).

Sebagai contoh, definisi transducer yang luas ini mencakup alat-alat yang mengubah gaya atau perpindahan mekanis menjadi sinyal listrik. Alat-alat ini membentuk kelompok transducer yang sangat besar dan sangat penting yang lazim ditemukan dalam instrumentasi industri; dan ahli instrumentasi terutama berurusan dengan jenis pengubahan energi ini. Banyak parameter fisis lainnya (seperti panas, intensitas cahaya, kelembaban) juga dapt diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan transducer. Transducer-transducer ini memberikan sebuah sinyal keluaran bila diransang oleh sebuah masukan yang bukan mekanis; sebuah transmistor bereaksi terhadap variasi temperatur; sebuah fotosel bereaksi terhadap perubahan intensitas cahaya; sebuah berkas elektron terhadap efek-efek maknetik, dan lain-lain. Namun dalam semua hal, keluaran elektris yang diukur menurut metoda standar memberikan besarnya besaran masukan dalam bentuk ukuran elektris analog.

Transducer dapat dikelompokan berdasakan pemakaiannya, metoda pengubahan energi, sifat dasar sinyal keluaran dan lain-lain. Tabel dibawah menunjukan suatu pengelompokan transducer berdasarkan prinsip listrik yang tersangkut. Bagian pertama tabel tersebut memberi daftar transducer yang memberikan daya luar. Ini adalah transducer pasif, yang memberi tambahan dalam sebuah parameter listrik seperti halnya tahanan, kapasitansi dan lain-lain yang dapat diukur sebagai suatu perubahan tegangan atau kuat arus. Kategori berikutnya adalah transducer jenis pembangkit sendiri, yang menghasilkan suatu tegangan atau arus analog bila dirangsang dengan suatu bentuk fisis energi. Transducer pembangkit sendiri tidak memerlukan daya dari luar.

Tabel Pengelompokan Transducer

Transduser Pasif (daya dari luar) yaitu transduser yang dapat bekerja bila mendapat energi tambahan dari luar.

Parameter listrik dan kelas transduser	Prinsip kerja dan sifat alat	Pemakaian alat
Potensiometer	Perubahan nilai tahanan karena posisi kontak bergeser	Tekanan, pergeseran/posisi
Strain gage	Perubahan nilai tahanan akibat perubahan panjang kawat oleh tekanan dari luar	Gaya, torsi, posisi
Transformator selisih (LVDT)	Tegangan selisih dua kumparan primer akibat pergeseran inti trafo	Tekanan, gaya, pergeseran
Gage arus pusar	Perubahan induktansi kumparan akibat perubahan jarak plat	Pergeseran, ketebalan

Tabel  1.7 Transduser Pasif

Transduser Aktif (tanpa daya luar) yaitu transduser yang bekerja tanpa tambahan energy dari luar, tetapi menggunakan energi yang akan diubah itu sendiri.

Parameter listrik dan kelas transduser	Prinsip kerja dan sifat alat	Pemakaian alat
Sel fotoemisif	Emisi elektron akibat radiasi yang masuk pada permukaan fotemisif	Cahaya dan radiasi
Photomultiplier	Emisi elektron sekunder akibat radiasi yang masuk ke katode sensitif cahaya	Cahaya, radiasi dan relay sensitif cahaya
Termokopel	Pembangkitan ggl pada titik sambung dua logam yang berbeda akibat dipanasi	Temperatur, aliran panas, radiasi
Generator kumparan putar (tachogenerator)	Perputaran sebuah kumparan di dalam medan magnet yang membangkitkan tegangan || Kecepatan, getaran
Piezoelektrik	Pembangkitan ggl bahan kristal piezo akibat gaya dari luar	Suara, getaran, percepatan, tekanan
Sel foto tegangan	Terbangkitnya tegangan pada sel foto akibat rangsangan energi dari luar	Cahaya matahari
Termometer tahanan (RTD)	Perubahan nilai tahanan kawat akibat perubahan temperatur || Temperatur, panas
Hygrometer tahanan	Tahanan sebuah strip konduktif berubah terhadap kandungan uap air	Kelembaban relatif
Termistor (NTC)	Penurunan nilai tahanan logam akibat kenaikan temperatur	Temperatu

Tabel  1.8 Transduser Aktif

1.12.1 Transduser Pergeseran

Pengubahan sebuah gaya terpasang menjadi pergeseran merupakan dasar bagi berbagai jenis tranducer. Elemen mekanis yang digunakan untuk mengubah gaya terpasang menjadi pergeseran disebut alat-alat penjumlah gaya (force summing devices) yang bagian-bagiannya berupa :

a.          Diagfragma, rata atau bergelombang

b.          Tiupan (bellows)

c.          Tabung Boundon, melingkar atau berbelit

d.          Tabung/ pipa lurus

e.          Kantilever massa (mass cantilever), suspensi tunggal atau dobel

f.           Torsi ujung berputer (pivot torque)

1.12.2. Transduser Kapasitive

Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua pelat paralel, setiap variasi dalam d menyebabkan variasi pada kapasitansi. Prinsip ini diterapkan pada transducer kapasitif.

Kapasitansi dari sebuah kapasitor pelat paralel diberikan oleh G = (farad)

G(farad)

dimana: A = luas masing-masing pelat, dalam m d = j arak kedua pelat, dai am m e, = 9,85 x 1Q"¹² dalam F/m

k = konstanta di elektrik

Cara kerjanya :

-            Gaya diberikan pada diafragma yang berfungsi sebagai salah satu pelat kapasitor, mengubah jarak antara diafragma dengan pelat yang diam.

-            Perubahan kapasitansi yang dihasilkan ini dapat diukur dengan jembatan ac atau sebuah rangkaian osilator.

-            Transducer sebagai bagian dari rangkaian osilator menyebabkan perubahan frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini merupakan ukuran dari besarnya gaya yang dipasang.

1.12.3. Transducer induktif

Dalam transducer induktif pengukuran gaya dilakukan dengan mengubah perbandingan induktansi dari sepasang kumparan atau dengan mengubah induktansi kumparan tunggal. Dalam masing-masing hal, jangkar feromagenetik yang digerakkan/ digeser oleh gaya yang akan diukur mengubah reluktansi rangkaian magnetik.

1.12.3. Transformator selisih yang berubah-ubah (LVDT)Konstruksi dasar dari sebuah transformator selisih yang berubah secara linier (LVDT Liniear Variable Differential Transformer) ditunjukkan pada Gambar 1.10.

Transformator ini terdiri dari satu kumparan primer dan dua kumparan sekunder yang ditempatkan pada kedua sisi kumparan primer. Kumparan sekunder mempunyai jumlah gulungan yang sama tetapi mereka dihubungkan seri secara berlawanan sehingga gaya gerak listrik (ggl) yang diindusir didalam kumparan sekunder tersebut saling berlawanan. Posisi dari inti yang dapat bergerak menentukan hubungan fluksi antara kumparan primer yang tereksitasi oleh ac dan masing-masing dari kedua kumparan sekunder.

Pemilihan suatu transduser sangat tergantung kepada kebutuhan pemakai dan lingkungan di sekitar pemakaian. Untuk itu dalam memilih transduser perlu diperhatikan beberapa hal di bawah ini:

1.    Kekuatan, maksudnya ketahanan atau proteksi terhadap beban lebih

2.    Linieritas, yaitu kemampuan untuk menghasilkan karakteristik masukan-   keluaran yang linier

3.    Stabilitas tinggi, yaitu kesalahan pengukuran yang kecil dan tidak begitu banyak terpengaruh oleh faktor-faktor lingkungan

4.    Tanggapan dinamik yang baik, yaitu keluaran segera mengikuti masukan dengan bentuk dan besar yang sama

5.    Repeatability : yaitu kemampuan untuk menghasilkan kembali keluaran yang sama ketika digunakan untuk mengukur besaran yang sama, dalam kondisi lingkungan yang sama

6.    Harga. Meskipun faktor ini tidak terkait dengan karakteristik transduser sebelumnya, tetapi dalam penerapan secara nyata seringkali menjadi kendala serius, sehingga perlu juga dipertimbangkan.

1.13 Karakteristik Sensor dan Aplikasi

Karakteristik Sensor dan Aplikasi. Masalah utama dalam teknik pengukuran, pengaturan dan pengendalian secara elektronik adalah mengubah besaran fisik menjadi besaran listrik yang proporsional. Besaran fisik yang diubah tersebut bisa berupa temperatur, gaya, kecepatan putaran, intensitas cahaya dan sebagainya.

Alat yang melaksanakan hal ini secara umum disebut sensor. Termasuk dalam golongan ini adalah baik sensor yang sederhana maupun alat pemroses sinyal elektronik yang terhubung sesudahnya (penguat, kompensasi suhu, linearisasi, dll). Dalam aplikasi, sebuah sensor harus memenuhi persyaratan kualitas atau karakteristik utama sensor sebagai berikut :

1.         Linearitas. Konversi harus proporsional. Artinya karakteristik konversi dari sensor harus linear (selalu sebanding).

2.             Tidak tergantung Temperatur. Artinya, karakteristik keluaran (converter) sensor tidak boleh tergantung pada temperatur di sekelilingnya, kecuali sensor suhu/temperatur.

3.             Kepekaan. Kepekaan sensor harus dipilih sedemikian sehingga dalam aplikasi, pada nilai-nilai masukan yang ada dapat diperoleh tegangan listrik keluaran yang cukup besar.

4.             Waktu Tanggapan. Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan keluaran sensor untuk mencapai nilai akhirnya pada nilai masukan yang berubah secara mendadak. Karakteristik ini menuntut, dalam aplikasi sensor harus dapat berubah cepat bila nilai masukan pada sistem tempat sensor tersebut berubah.

5.             Batas Frekuensi Terendah dan Tertinggi. Batas-batas tersebut adalah nilai frekuensi masukan periodik terendah dan tertinggi yang masih dapat dikonversi oleh sensor secara benar. Pada kebanyakan aplikasi disyaratkan bahwa frekuensi terendah adalah 0 Hz.

6.             Stabilitas Waktu. Untuk nilai masukan tertentu, sensor harus dapat memberikan keluaran yang tetap nilainya dalam waktu yang lama. Sayangnya karakteristik kebanyakan komponen elektronik (sensor) dalam aplikasi nya cenderung berubah seiring dengan waktu.

7.             Histeresis. Sensor dapat mengalami gejala histeresis seperti yang ada pada magnetisasi besi. Pada temperatur tertentu akibat dari karakteristik ini sebuah sensor dapat memberikan keluaran yang berlainan, tergantung pada keadaan apakah saat itu temperatur sedang naik atau turun.

Dari syarat-syarat atau karakteristik ideal tersebut di atas, linearitas, tidak tergantung pada temperatur, stabilitas waktu, dan histeresis sangat menentukan ketelitian sensor.

Proses fisik yang menjadi dasar kerja sensor tergantung pada aplikasi yang memerlukan sensor tersebut. Berikut tabel proses fisik yang dapat dipilih untuk berbagai tujuan sensor sesuai karakteristiknya :

Tabel  1.9 tabel proses fisik yang dapat dipilih untuk berbagai tujuan sensor sesuai karakteristiknya            

Efek Hall. Mempergunakan semikonduktor sebagai komponen Hall, biasanya dengan sumber arus dan penguat dalam satu modul terpadu yang disebut LOHET (Linear Output Hall Effect Transducer). Modul ini memberikan tegangan yang sebanding dengan kerapatan fluks magnet.

Piezoresistif. Terdiri atas chip silikon berbentuk segiempat seluas beberapa mm persegi. Pada lapisannya dilekatkan membran berbentuk bulat untuk menerima tekanan. Di atasnya dibentuk rangkaian jembatan dengan jalan menyuntikkan ion-ion. Pada keluaran jembatan ini dapat timbul tegangan yang sebanding dengan tekanan yang diukur.

     Pyroelectric. Bekerja berdasarkan perubahan radiasi inframerah yang diterima optik. Setiap benda yang berupa sumber panas akan meradiasikan inframerah dan inilah yang akan diterima oleh sensor. Disebut juga dengan istilah sensor PIR (Passive InfraRed).

Fotoelektrik. Terdiri atas LED berwarna merah atau LED inframerah yang menyinari fotodioda atau fototransistor sebagai penerima. Tersedia dalam satu kesatuan atau terpisah dalam masing-masing kotak. Kadang-kadang juga dilengkapi dengan lensa agar dapat mengenali sinyal kecil dengan baik atau untuk memperoleh jarak pengamatan yang lebih jauh.

Pita Tarik. Berupa bahan resistif (logam atau lapisan semikonduktor) yang ditempatkan atau dilapiskan pada sehelai bahan isolator (kebanyakan sintetik). Resistansi bahan ini berubah jika memulai. Sensor ini biasa dirangkai secara jembatan dengan resistor lainnya yang permanen. Pemberian tegangan yang stabil pada rangkaian jembatan akan memberikan tegangan keluaran yang nilainya sebanding dengan pemuaian pita tarik tersebut.

Thermoresistif. Nilai resistansinya tergantung pada temperatur. Bahan bisa berasal dari kawat, lapisan logam atau semikonduktor. Beberapa tersedia dalam bentuk IC yang terkandung di dalamnya pengatur tegangan, penguat, dan rangkaian linearisasi.

Induktif. Menggunakan osilator yang diredam dengan arus bolak-balik yang ditimbulkan oleh osilator tersebut pada bagian-bagian logam. Perubahan jarak dengan bagian-bagian logam selanjutnya mengubah amplitudo tegangan osilator.

            Karakteristik sensor yang ideal tentunya akan sangat baik bagi aplikasi rangkaian yang membutuhkan ketelitian tinggi dalam hal pengukuran, pengaturan atau pengendalian. Hal tersebut tentunya seiring dengan teknologi pembuatan sensor yang dari waktu ke waktu mengalami perkembangan cukup pesat.   

2. Sensor Thermal

AC. Srivastava, (1987), mengatakan temperatur merupakan salah satu dariempat besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran Internasional (The International Measuring System). Lord Kelvin pada tahun 1848 mengusulkan skala temperature termodinamika pada suatu titik tetap triple point, dimana fase padat, cair dan uap berada bersama dalam equilibrium, angka ini adalah 273,16 oK ( derajat Kelvin) yang juga merupakan titik es. Skala lain adalah Celcius, Fahrenheit dan Rankine dengan hubungan sebagai berikut:

oF = 9/5 oC + 32 atau

oC = 5/9 (oF-32) atau

oR = oF + 459,69

Yayan I.B, (1998), mengatakan temperatur adalah kondisi penting dari suatu substrat. Sedangkan “panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan dengan aktifitas molekul-molekul dari suatu substrat”. Partikel dari suatu substrat diasumsikan selalu bergerak. Pergerakan partikel inilah yang kemudian dirasakan sebagai panas. Sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas tersebut. Pergerakan partikel substrat dapat terjadi pada tiga dimensi benda yaitu:

1.      Benda padat,

2.      Benda cair dan

3.      Benda gas (udara)

Aliran kalor substrat pada dimensi padat, cair dan gas dapat terjadi secara :

1.      Konduksi,yaitu pengaliran panas melalui benda padat (penghantar) secara kontak langsung

2.      Konveksi, yaitu pengaliran panas melalui media cair secara kontak langsung

3.      Radiasi, yaitu pengaliran panas melalui media udara/gas secara kontak tidak langsung

Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu tipe

sensor dengan pertimbangan :

1.      Penampilan (Performance)

2.      Kehandalan (Reliable) dan

3.      Faktor ekonomis ( Economic)

C.Pemilihan Jenis Sensor Suhu

Hal-hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan jenis sensor suhu adalah: (Yayan I.B, 1998)

1.      Level suhu maksimum dan minimum dari suatu substrat yang diukur.

2.      Jangkauan (range) maksimum pengukuran

3.      Konduktivitas kalor dari substrat

4.      Respon waktu perubahan suhu dari substrat

5.      Linieritas sensor

6.      Jangkauan temperatur kerja

Selain dari ketentuan diatas, perlu juga diperhatikan aspek phisik dan kimia dari sensor seperti ketahanan terhadap korosi (karat), ketahanan terhadap guncangan, pengkabelan (instalasi), keamanan dan lain-lain.

Tabel  1.10 Pemilihan Jenis Sensor Suhu

D. Tempertur Kerja Sensor

Setiap sensor suhu memiliki temperatur kerja yang berbeda, untuk pengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara -35oC sampai 150oC, dapat dipilih sensor NTC, PTC,transistor, dioda dan IC hibrid. Untuk suhu menengah yaitu antara 150oC sampai 700oC,dapat dipilih thermocouple dan RTD. Untuk suhu yang lebih tinggi sampai 1500oC,tidak memungkinkan lagi dipergunakan sensor-sensor kontak langsung, maka teknis pengukurannya dilakukan menggunakan cara radiasi. Untuk pengukuran suhu pada daerah sangat dingin dibawah 65oK = -208oC ( 0oC = 273,16oK ) dapat digunakanresistor karbon biasa karena pada suhu ini karbon berlaku seperti semikonduktor.Untuk suhu antara 65oK sampai -35oC dapat digunakan kristal silikon dengan kemurnian tinggi sebagai sensor.

E.Bimetal

Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan lampu  kelap-kelip (dimmer). Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (_) yang direkatkan menjadi satu. Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka bimetal akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya bimetal dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open (NO).

F.Termistor

Termistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. Umumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi.

Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti: mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman tahanannya adalah dari 0,5 sampai 75 dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran.

G.Teknik Kompensasi Termistor:

Karkateristik termistor berikut memperlihatkan hubungan antara temperatur dan

resistansi seperti tampak pada gambar 2.4

(a) logaritmik                             (b) skala linier

Gambar 1.11 Grafik Termistor resistansi vs temperatuer:

H.Resistance Thermal Detector (RTD)

RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah,tetapi tembaga mudah terserang korosi

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu:

1.      Tidak diperlukan suhu referensi

2.      Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat      yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.

3.      Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel

4.      Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah

5.      Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah. Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor.

Bentuk lain dari Konstruksi RTD

Gambar 1.12 Jenis RTD

I.Termokopel

Pembuatan termokopel didasarkan atas sifat thermal bahan logam. Jika sebuah batang logam dipanaskan pada salah satu ujungnya maka pada ujung tersebut elektron-elektron dalam logam akan bergerak semakin aktif dan akan menempati ruang yang semakin luas, elektron-elektron saling desak dan bergerak ke arah ujung batang yang tidak dipanaskan. Dengan demikian pada ujung batang yang dipanaskan akan terjadi muatan positif. Kerapatan electron untuk setiap bahan logam berbeda tergantung dari jenis logam. Jika dua batang logam disatukan salah satu ujungnya, dan kemudian dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang memiliki kepadatan tinggi akan bergerak ke batang yang kepadatan elektronnya rendah, dengan demikian terjadilah perbedaan tegangan diantara ujung kedua batang logam yang tidak disatukan atau dipanaskan. Besarnya termolistrik atau gem ( gaya electromagnet ) yang dihasilkan menurut T.J Seeback (1821) yang menemukan hubungan perbedaan panas (T1 dan T2) dengan gaya gerak listrik yang dihasilkan E, Peltir (1834), menemukan gejala panas yang mengalir dan panas yang diserap pada titik hot-juction dan coldjunction, dan Sir William Thomson, menemukan arah arus mengalir dari titik panas ke titik dingin dan sebaliknya,

Gambar 1.13 Arah Gerak Elektron Jika Logam Dipanaskan

Atau

E =37,5 -0,045( )

di mana 37,5 dan 0,045 merupakan dua konstanta C1 dan C2 untuk termokopel tembaga/ konstanta. Bila ujung logam yang tidak dipanaskan dihubung singkat, perambatan panas dari ujung panas ke ujung dingin akan semakin cepat. Sebaliknya bila suatu termokopel diberi tegangan listrik DC, maka diujung sambungan terjadi panas atau menjadi dingin tergantung polaritas bahan (deret Volta) dan polaritas tegangan sumber. Dari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel menjadi pendingin. Thermocouple sebagai sensor temperatur memanfaatkan beda workfunction dua bahan metal

J. Dioda sebagai Sensor Temperatur

Dioda dapat pula digunakan sebagai sensor temperatur yaitu dengan memanfaatkan sifat tegangan junction Dimanfaatkan juga pada sensor temperatur rangkaian terintegrasi (memiliki rangkaian penguat dan kompensasi dalam chip yang sama).

K.Infrared Pyrometer

Sensor inframerah dapat pula digunakan untuk sensor temperatur

Gambar 1.15 Infrared Pyrometer

Infrared Pyrometer sebagai sensor temperatur

Memanfaatkan perubahan panas antara cahaya yang dipancarkan dengan diterima yang

diterima pyrometer terhadap objek yang di deteksi.

3. Sensor Mechanics

Pergerakkan mekanis adalah tindakan yang paling banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, seperti perpindahan suatu benda dari suatu posisi ke posisi lain, kecepatan mobil di jalan raya, dongrak mobil yang dapat mengangkat mobil seberat 10 ton, debit air didalam pipa pesat, tinggi permukaan air dalam tanki. Semua gerak mekanis tersebut pada intinya hanya terdiri dari tiga macam, yaitu gerak lurus, gerak melingkar dan gerak memuntir. Gerak mekanis disebabkan oleh adanya gaya aksi yang dapat menimbulkan gaya reaksi. Banyak cara dilakukan untuk mengetahui atau mengukur gerak mekanis misalnya mengukur jarak atau posisi dengan meter, mengukur kecepatan dengan tachometer, mengukur debit air dengan rotameter dsb. Tetapi jika ditemui gerakan mekanis yang berada dalam suatu sistem yang kompleks maka diperlukan sebuah sensor untuk mendeteksi atau mengimformasikan nilai yang akan diukur. Berikut akan dijabarkan beberapa jenis sensor mekanis yang sering dijumpai di dalam kehidupan sehari-hari.

1.      Sensor Posisi

Pengukuran posisi dapat dilakukan dengan cara analog dan digital. Untuk pergeseran yang tidak terlalu jauh pengukuran dapat dilakukan menggunakan cara-cara analog, sedangkan untuk jarak pergeseran yang lebih panjang lebih baik digunakan cara digital.Hasil sensor posisi atau perpindahan dapat digunakan untuk mengukur perpindahan linier atau angular. Teknis perlakuan sensor dapat dilakukan dengan cara terhubung langsung ( kontak ) dan tidak terhubung langsung ( tanpa kontak ).

a.      Strain gauge (SG)

Strain gauge dapat dijadikan sebagai sensor posisi. SG dalam operasinya memanfaatkan perubahan resistansi sehingganya dapat digunakan untuk mengukur perpindahan yang sangat kecil akibat pembengkokan (tensile stress) atau peregangan (tensile strain).

Secara konstruksi SG terbuat dari bahan metal tipis (foil) yang diletakkan diatas kertas.

Untuk proses pendeteksian SG ditempelkan dengan benda uji dengan dua cara yaitu:

1. Arah perapatan/peregangan dibuat sepanjang mungkin (axial)

2. Arah tegak lurus perapatan/peregangan dibuat sependek mungkin (lateral)

Gambar 1.16 Bentuk fisik strain gauge

b.      Sensor Induktif dan Elektromagnet

Sensor induktif memanfaatkan perubahan induktansi

• sebagai akibat pergerakan inti feromagnetik dalam koil

• akibat bahan feromagnetik yang mendekat

c.       Linier Variable Differential Transformer (LVDT)

      memanfaatkan perubahan induksi magnit dari kumparan primer ke dua kumparan

   sekunder

      dalam keadaan setimbang, inti magnet terletak ditengah dan kedua kumparan sekunder menerima fluks yang sama

      dalam keadaan tidak setimbang, fluks pada satu kumparan naik dan yang lainnya turun

      tegangan yang dihasilkan pada sekunder sebading dengan perubahan posisi inti magnetic

      hubungan linier bila inti masih disekitar posisi kesetimbangan

LVDT sebagai sensor posisi: (a) konstruksi LVDT, (b) Rangakaian

listrik, (c) rangkaia uji LVDT, (d) Karakteristik LVDT

Gambar 1.17 LVDT

d.      Transduser Kapasitif

Ø  memanfaatkan perubahan kapasitansi

Ø  akibat perubahan posisi bahan dielektrik diantara kedua keping

Ø  akibat pergeseran posisi salah satu keping dan luas keping yang berhadapan langsung

Ø  akibat penambahan jarak antara kedua keeping

Ø  cukup sensitif tetapi linieritas buruk

Ø  rangkaian jembatan seperti pada sensor induktif dapat digunakan dengan kapasitor dihubungkan paralel dengan resistansi (tinggi) untuk memberi jalur DC untuk input opamp

2.      Transduser perpindahan digital optis

Ø  mendeteksi posisi melalui kode oleh pemantul atau pelalu transmisi cahaya ke detektor foto

Ø  perpindahan (relatif) diukur berupa pulse train dengan frekuensi yang sebanding kecepatan pergerakan

Ø  deteksi arah gerakan memanfaatkan dua sinyal dengan saat pulsa naik berbeda

Gambar 1.18 deteksi arah gerakan

Ø  posisi mutlak dideteksi menggunakan kode bilangan digital

Ø  untuk deteksi perubahan yang ekstrim satu kode digunakan sebagai sinyal clock

Ø  alternatif lain memanfaatkan kode yang hanya mengijinkan satu perubahan seperti pada kode Gray

Ø  kode angular lebih baik dari pada kode linier akibat arah ekpansi thermal pada pelat kode

Ø  pengukuran perpindahan posisi yang kecil dapat dilakukan dengan pola Moire

Ø  pola garis tegak dan miring memperkuat (ukuran) pergeseran arah x ke pola garis pada arah y

Ø  perubahan dibaca dengan cara optis

a.      Transduser Piezoelectric

Transduser Piezoelectric berkeja memanfaatkan tegangan yang terbentuk saat kristal

mengalami pemampatan

·         ion positif dan negatif terpisah akibat struktur kristal asimetris

·         bahan kristal: kuarsa dan barium titanat, elektret polivilidin florida

·         bentuk respons

Transduser Piezoelektrik: (a) konstruksi PE, (b) rangkaian ekivalen PE

Gambar 1.19 Transduser Piezoelectric

Rangkaian pembaca tegangan pada piezoelektrik sensor

·         kristal bukan konduktor (tidak mengukur DC, rangkaian ekivalen) gunakan rangkaian Op-Amp dengan impedansi input tinggi (FET, untuk frekuensi rendah)

·         bila respons yang diukur dekat dengan frekuensi resonansi kristal, ukur muatan sebagai ganti tegangan

          di mana Qx = muatan listrik kristal (coulomb)

a.      Transduser Resolver dan Inductosyn

Ø  berupa pasangan motor-generator: resolver dan transmiter digunakan untuk mengukur sudut pada sebuah gerakan rotasi

Ø  kumparan stator sebagai penerima ditempatkan pada sudut yang berbeda

·         stator: syncho

·         2 stator: resolver

Ø  versi linier (inductosyn) perbedaan sudut 90 derajat diperoleh dengan perbedaan ¼ gulungan

b.      Detektor Proximity

Ø  saklar reed yang memanfatkan saklar yang terhubung atau terlepas berdasarkan medan magnet

Ø  RF-lost akibat adanya bahan metal yang menyerap medan magnet (frekuensi 40-200 kHz) yang mengakibatkan detector RF turun akibat pembebanan rangkaian resonansi LC pada osilator

Ø   Detector kapasitansi mengamati perubahan kapasitansi oleh bahan non konduktor

Ø  pancaran cahaya terfokus

c.       Potensiometer

Potensiometer yang tersedia di pasaran terdiri dari beberapa jenis, yaitu:

potensiometer karbon, potensiometer wire wound dan potensiometer metal film.

1. Potensiometer karbon adalah potensiometer yang terbuat dari bahan karbon harganya cukup murah akan tetapi kepressian potensiometer ini sangat rendah biasanya harga resistansi akan sangat mudah berubah akibat pergeseran kontak.

2. Potensiometer gulungan kawat (wire wound) adalah potensiometer yang menggunakan gulungan kawat nikelin yang sangat kecil ukuran penampangnya. Ketelitian dari potensiometer jenis ini tergantung dari ukuran kawat yang digunakan serta kerapihan penggulungannya.

3. Metal film adalah potensiometer yang menggunakan bahan metal yang dilapiskan ke bahan isolator.Potensiometer karbon dan metal film jarang digunakan untuk kontrol industri karena cepat aus. Potensiometer wire wound adalah potensiometer yang menggunakan kawat halus yang dililit pada batang metal. Ketelitian potensiometer tergantung dari ukuran kawat. Kawat yang digunakan biasanya adalah kawat nikelin. Penggunaan potensiometer untuk pengontrolan posisi cukup praktis karena hanya membutuhkan satu tegangan eksitasi dan biasanya tidak membutuhkan pengolah sinyal yang rumit. Kelemahan penggunaan potensiometer terutama adalah:

1.      Cepat aus akibat gesekan

2.      Sering timbul noise terutama saat pergantian posisi dan saaat terjadi lepas kontak

3.      Mudah terserang korosi

4.      Peka terhadap pengotor

             Potensiometer linier adalah potensiometer yang perubahan tahanannya sangat halus dengan jumlah putaran sampai sepuluh kali putaran (multi turn). Untuk keperluan sensor posisi potensiometer linier memanfaatkan perubahan resistansi, diperlukan proteksi apabila jangkauan ukurnya melebihi rating, linearitas yang tinggi hasilnya mudah dibaca tetapi hati-hati dengan friksi dan backlash yang ditimbulkan, resolusinya terbatas yaitu 0,2 – 0,5%

d.      Optical lever displacement detektor

Ø  memanfaatkan pematulan berkas cahaya dari sumber ke detektor

Ø  linieritas hanya baik untuk perpindahan yang kecil

Gambar 3.21. Optical Lever Displacement Detector

3.      Sensor Kecepatan ( Motion Sensor )

Pengukuran kecepatan dapat dilakukan dengan cara analog dan cara digital. Secara umum pengukuran kecepatan terbagi dua cara yaitu: cara angular dan cara translasi. Untuk mengukur kecepatan translasi dapat diturunkan dari cara pengukuran angular. Yang dimaksud dengan pengukuran angular adalah pengukuran kecepatan rotasi (berputar), sedangkan pengukuran kecepatan translasi adalah kecepatan gerak lurus beraturan dan kecepatan gerak lurus tidak beraturan.

a.      Tacho Generator

Sensor yang sering digunakan untuk sensor kecepatan angular adalah tacho generator. Tacho generator adalah sebuah generator kecil yang membangkitkan tegangan DC ataupun tegangan AC. Dari segi eksitasi tacho generator dapat dibangkitkan dengan eksitasi dari luar atau imbas elektromagnit dari magnit permanent.

kelemahannya adalah :

1.      Sikat komutator mudah habis

2.      Jika digunakan pada daerah bertemperatur tinggi, maka magnet permanent akan  mengalami kelelahan, untuk kasus ini, tacho generator sering dikalibrasi.

3.      Peka terhadap debu dan korosi

Tacho generator AC berupa generator singkron, magnet permanent diletakkan dibagian tengah yang berfungsi sebagai rotor. Sedangkan statornya berbentuk kumparan besi lunak. Ketika rotor berputar dihasilkan tegangan induksi di bagian statornya. Tipe lain dari tacho generator AC adalah tipe induksi, rotor dibuat bergerigi, stator berupa gulungan kawat berinti besi. Medan magnet permanent dipasang bersamaan di stator. Ketika rotor berputar, terjadi perubahan medan magnet pada gigi yang kemudian mengimbas ke gulungan stator. Kelebihan utama dari tacho generator AC adalah relatif tahan terhadap korosi dan debu, sedangkan kelemahannya adalah tidak memberikan informasi arah gerak.

Gambar 1.20 Tacho Generator

a.      Pengukuran Kecepatan Cara Digital.

Pengukuran kecepatan cara digital dapat dilakukan dengan cara induktif, kapasitif dan optik. Pengukuran dengan cara induksi dilakukan menggunakan rotor bergerigi, stator dibuat dari kumparan yang dililitkan pada magnet permanen. Keluaran dari sensor ini berupa pulsa-pulsa tegangan. Penggunaan cara ini cukup sederhana, sangat praktis tanpa memerlukan kopling mekanik yang rumit, serta memiliki kehandalan yang tinggi, tetapi kelemahannya tidak dapat digunakan untuk mengukur kecepatan rendah dan tidak dapat menampilkan arah putaran.

4.      Sensor Tekanan ( Presure Sensor )

Ø  Transduser tekanan dan gaya (load cell)

·         terdiri dari bahan elastis dan sensor perpindahan (displacement)

·          besaran ukur (i) strain atau (ii) displacement

·          pengelompokan: tipe absolute gauge dan diferensial

Ø  sensor tekanan dengan diafragma reliable, sukar dibuat, reproducible

·         besaran ukur strain dengan strain gauge atau displacement dengan kapasitansi

·         pengukuran dengan kapasitansi dalam rangkaian jembatan sangat sensitif dan Mahal

a.      Transduser Tekanan silikon

Ø  memanfaatkan silikon sebagai bahan strain ukur dan diafragmanya, rangkaian bisa terintegrasi

Ø  lebih sensistif dari metal karena strain (displacement) dan sifat piezoresistif muncul bersamaan

Ø  selalu menggunakan 4 gauge dalam jembatan, masalah yang dihadapi

·         gauge tidak identik

·         sangat sensitif terhadap temperatur

Ø  alternatif solusi:

·         eksitasi arus

·         kompensasi tegangan jembatan

·          kompensasi penguatan amplifier

Ø  konstruksi sensor tekanan silikon

·         diafragma dengan proses etsa

·         strain gauge dengan difusi dopan

b.      Sensor Tekanan Tipe Bourdon dan Bellow

Ø  besaran ukur perpindahan (displacement) memanfaatkan LVDT, sensor reluktansi variabel, potensiometer

Ø  konversi tekanan ke perpindahan menggunakan tabung Bourdon atau Bellows

Sensor tekanan tipe lain: (a) dan (b) tipe Bourdon,(c) dan (d) tipe bellow

Gambar 1.21 Sensor Tekanan Tipe Bourdon dan Bellow

c. Load cell

Ø  cara kerja mirip dengan sensor tekanan yaitu mengubah gaya menjadi perpindahan

Ø  menggunakan rangkaian jembatan untuk pembacaan, kalibrasi dan kompensasi temperatur

Ø  alternatif lain menggunakan kristal piezoelektrik untuk mengukur perubahan gaya

Ø  konfigurasi load cell

Gambar 1.22 Beberapa Contoh Konfigurasi Load Cell

5.      Sensor Aliran Fluida ( Flow Sensor )

Pengukuran aliran mulai dikenal sejak tahun 1732 ketika Henry Pitot mengatur jumlah fluida yang mengalir. Dalam pengukuran fluida perlu ditentukan besaran dan vektor kecepatan aliran pada suatu titik dalam fluida dan bagaimana fluida tersebut berubah dari titik ke titik. Pengukuran atau penyensoran aliran fluida dapat digolongkan sebagai berikut:

1. Pengukuran kuantitas

Pengukuran ini memberikan petunjuk yang sebanding dengan kuantitas total yang telah mengalir dalam waktu tertentu. Fluida mengalir melewati elemen primer secara berturutan dalam kuantitas yang kurang lebih terisolasi dengan secara bergantian mengisi dan mengosongkan bejana pengukur yang diketahui kapasitasnya.

Pengukuran kuantitas diklasifikasikan menurut :

a. Pengukur gravimetri atau pengukuran berat

b. Pengukur volumetri untuk cairan

c. Pengukur volumetri untuk gas

2. Pengukuran laju aliran

Laju aliran Q merupakan fungsi luas pipa A dan kecepatan V dari cairan yang

mengalir lewat pipa, yakni:

Q = A.V

tetapi dalam praktek, kecepatan tidak merata, lebih besar di pusat. Jadi kecepatan terukur rata-rata dari cairan atau gas dapat berbeda dari kecepatan rata-rata sebenarnya. Gejala ini dapat dikoreksi sebagai berikut:

Q = K.A.V

di mana K adalah konstanta untuk pipa tertentu dan menggambarkan hubungan antara kecepatan rata-rata sebenarnya dan kecepatan terukur. Nilai konstantaini bisa didapatkan melalui eksperimen.

a.      Sensor Aliran Berdasarkan Perbedaan Tekanan

Metoda ini berdasarkan Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan :

ρ .g.  = ρ .g.

dimana: P = tekanan fluida

ρ = masa jenis fluida

v = kecepatan fulida

g = gravitasi bumi

h = tinggi fluida (elevasi)

b.      Cara-cara Thermal

Cara-cara thermal biasanya dipergunakan untuk mengukur aliran udara.

Pengukuran dengan menggunakan carathermal dapat dilakukan dengan cara-cara :

Anemometer kawat panas

Teknik perambatan panas

Teknik penggetaran

c.       Anemometer Kawat Panas

Metoda ini cukup sederhana yaitu dengan menggunakan kawat yang dipanaskan oleh aliran listrik, arus yang mengalir pada kawat dibuat tetap konstan menggunakan sumber arus konstan. Jika ada aliran udara, maka kawat akan mendingin (seperti kita meniup lilin) dengan mendinginnya kawat, maka resistansi kawat menurun. Karena dipergunakan sumber arus konstan, maka kita dapat menyensor tegangan pada ujungujung kawat. Sensor jenis ini memiliki sensitivitas sangat baik untuk menyensor aliran gas yang lambat. Namun sayangnya penginstalasian keseluruhan sensor tergolong sulit.

d.      Perambatan Panas

Pada teknik perambatan panas, pemanas dipasang pada bagian luar pipa, pipa tersebut terbuat dari bahan logam. Di kiri dan kanan pemanas, dipasang bahan isolator panas, dan pada isolator ini dipasang sensor suhu. Bila udaramengalir dari kiri ke kanan, maka suhu disebelah kiri akan terasa lebih dingin dibanding suhu sebelah kanan.

a.terbuka    b. Terbuka

Gambar 1.23 Perambatan Panas

6. Sensor Level

Pengukuran level dapat dilakukan dengan bermacam cara antara lain dengan: pelampung atau displacer, gelombang udara, resistansi, kapasitif, ultra sonic, optic, thermal, tekanan, sensor permukaan dan radiasi. Pemilihan sensor yang tepat tergantung pada situasi dan kondisi sistem yang akan di sensor.

a.      Menggunakan Pelampung

Cara yang paling sederhana dalam penyensor level cairan adalah dengan menggunakan pelampung yang diberi gagang. Pembacaan dapat dilakukan dengan memasang sensor posisi misalnya potensiometer pada bagian engsel gagang pelampung. Cara ini cukup baik diterapkan untuk tanki-tanki air yang tidak terlalu tinggi.

b.      Menggunakan Tekanan

Untuk mengukur level cairan dapat pula dilakukan menggunakan sensor tekanan yang dipasang di bagian dasar dari tabung. Cara ini cukup praktis, akan tetapi ketelitiannya sangat tergantung dari berat jenis dan suhu cairan sehingga kemungkinan kesalahan pembacaan cukup besar.

c.       Menggunakan Cara Thermal

Teknik ini didasarkan pada fakta penyerapan kalor oleh cairan lebih tinggi dibandingkan penyerapan kalor oleh uapnya, sehingga bagian yang tercelup akan lebih dingin dibandingkan bagian yang tidak tercelup. Kontruksi dasar sensor adalah terdidiri dari sebuah elemen pemanas dibentuk berliku-liku dan sebuah pemanas lain dibentuk tetap lurus. Dua buah sensor diletakkan berhadapan dengan bagian tegakdari pemanas, sebuah sensor tambahan harus diletakkan selalu berada dalam cairan yang berfungsi untuk pembanding. Kedua sensor yang berhadapan dengan pemanas digerakkan oleh sebuah aktuator secara perlahan-lahan dengan perintah naik atau turun secara bertahap. Mula-mula sensor diletakkan pada bagian paling atas, selanjutnya sensor suhu digerakkan ke bawah perlahan-lahan, setiap terdeteksi adanya perubahan suhu pada sensor yang berhadapan pada pemanas berliku, maka dilakukan penambahan

d.      Menggunakan Cara Optik

Pengukuran level menggunakan optic didasarkan atas sifat pantulanpermukaan atau pembiasan sinar dari cairan yang disensor. Ada beberapa carayang dapat digunakan untuk penyensoran menggunakan optic yaitu:

1. Menggunakan sinar laser

2. Menggunakan prisma

3. Menggunakan fiber optik