Bab 7

5/17/2018 Bab 7 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/bab-7-55ab5a1a164d0 1/50

Bab 7

Kedudukan, Pemindahan, dan Tingkat

Ada dua cara untuk membuat kemajuan.

Salah satunya adalah untuk melakukan sesuatu lebih baik,

yang lainnya adalah melakukan sesuatu untuk pertama kalinya.

Pengukuran posisi dan perpindahan benda fisik sangat penting untuk banyak aplikasi: proses kontrol

umpan balik, evaluasi kinerja, transportasi lalu lintas kontrol, robotika, sistem keamanan, hanya untuk

nama beberapa. Dengan posisi, kita berarti penentuan koordinat objek (linear atau sudut) sehubungan

dengan dipilih referensi. Pemindahan berarti bergerak dari satu posisi ke posisi lain untuk spesifik jarak

atau sudut. Dengan kata lain, perpindahan diukur ketika suatu objek direferensikan ke posisi sendiri

sebelumnya dan bukan ke referensi eksternal.

Sebuah jarak yang kritis diukur oleh sensor kedekatan. Akibatnya, kedekatan seorang sensor adalah

versi ambang detektor posisi. Sebuah sensor posisi sering merupakan perangkat linier sinyal output yang

merupakan jarak ke objek tertentu dari referensi titik. Sebuah sensor jarak, bagaimanapun, adalah

perangkat agak sederhana, yang menghasilkan sinyal output ketika jarak tertentu ke objek menjadi

penting untuk indikasi. Misalnya, banyak bergerak dalam mekanisme pengendalian proses dan robot

menggunakan sensor jarak yang sangat sederhana namun sangat handal, saklar akhir. Hal ini saklar

listrik memiliki kontak normal terbuka atau biasanya tertutup. Ketika sebuah obyek bergerak

mengaktifkan saklar dengan kontak fisik, yang terakhir mengirimkan sinyal ke rangkaian kontrol. Sinyalmerupakan indikasi bahwa objek telah mencapai akhir posisi di mana saklar diposisikan. Jelas, switch

kontak tersebut memiliki banyak kelemahan, misalnya, beban mekanik yang tinggi pada objek yang

bergerak dan histeresis.

Sebuah sensor perpindahan sering merupakan bagian dari sensor yang lebih kompleks dimana deteksi

gerakan adalah salah satu dari beberapa langkah dalam konversi sinyal. Sebagai contoh, Gambar. 6.22

menggambarkan jenis khusus dari sensor tekanan udara di mana variabel tekanan diterjemahkan ke

dalam perpindahan dari membran, dan perpindahan dilakukan kemudian dikonversi menjadi sinyal

listrik yang mewakili variasi tekanan.

Oleh karena itu, posisi sensor, beberapa di antaranya dijelaskan dalam bab ini, adalah

penting untuk desain sensor lain yang akan dibahas dalam bab-bab lain buku ini. Adalah wajar untukmengatakan bahwa posisi dan perpindahan sensor adalah yang paling banyak

digunakan perangkat penginderaan.

Posisi dan perpindahan sensor pada orde nol perangkat (lihat Sect. 2.18) yangmrespon kecepatan

biasanya tidak penting bagi mereka performance.1 Pada bagian ini, kita lakukan tidak mencakup sensor

yang respon merupakan fungsi dari waktu, yang menurut definisi, adalah dinamis sensor. Mereka

tertutup di tempat lain dalam buku ini.



Ketika merancang atau memilih posisi dan detektor perpindahan, berikut ini pertanyaan harus dijawab:

1. Seberapa besar perpindahan dan jenis (linear, melingkar)?

2. Apa resolusi dan akurasi yang dibutuhkan?

3. Apa benda (bergerak) diukur terbuat dari (, cairan logam plastik,, feromagnetik,

dll)?

4. Berapa banyak ruang yang tersedia untuk pemasangan detektor?

5. Apakah kondisi lingkungan (kelembaban, suhu, sumber

gangguan, getaran, korosif bahan, dll)?

6. Berapa banyak daya yang tersedia untuk sensor?

7. Berapa banyak penggunaan mekanis dapat diharapkan selama umur mesin?

8. Berapa jumlah produksi perakitan penginderaan (jumlah terbatas,

menengah volume, produksi massal)?

9. Berapa biaya target perakitan mendeteksi?

Sebuah analisis yang cermat akan membayar dividen yang besar dalam jangka panjang.

7.1 Sensor Potensiometri

Sebuah posisi atau transduser perpindahan dapat dibangun dengan potensiometer linear atauputar, atau pot untuk pendek. Prinsip operasi dari sensor ini didasarkan pada (3.54) untuk

resistansi kawat. Dari rumus, berarti perlawanan secara linier berhubungan dengan panjang

kawat. Jadi, dengan membuat objek untuk mengontrol panjang kawat, karena merupakandilakukan dalam pot, pengukuran perpindahan dapat dilakukan. Sejak perlawanan pengukuran

memerlukan perjalanan arus listrik melalui kawat panci, yang potensiometri transduser adalah

jenis aktif. Artinya, itu membutuhkan sinyal eksitasi, untuk Misalnya, DC saat ini. Sebuah benda

bergerak secara mekanik digabungkan dengan wiper pot, gerakan yang menyebabkan resistensiperubahan (Gambar 7.1A). Di sirkuit yang paling praktis, pengukuran resistansi diganti dengan

pengukuran tegangan drop. Itu tegangan pada wiper dari pot linear sebanding denganperpindahan d

V = E’

Meskipun demikian, tingkat maksimum respon sering ditentukan oleh produsen.

7.1 Sensor Potensiometri



di mana D adalah perpindahan besar-besaran dan E adalah tegangan pada panci (sinyal eksitasi). Ini

mengasumsikan bahwa tidak ada efek pembebanan listrik dari rangkaian antarmuka. Jika ada beban

yang cukup, hubungan linier antara posisi wiper dan tegangan output tidak akan terus. Selain itu, sinyal

keluaran adalah sebanding dengan tegangan eksitasi diterapkan di sensor. Tegangan ini, jika tidak dijaga

konstan, dapat menjadi sumber kesalahan. Masalah ini dapat diselesaikan dengan menggunakan

ratiometric Sebuah konverter / D dalam mikrokontroler (lihat Bab. 5), sehingga pengaruh tegangan akan

dibatalkan. Perlu dicatat bahwa sensor potensiometri terhadap resistensi adalah perangkat ratiometric,

maka resistensi dari pot bukan bagian dari persamaan, selama unsur resistif adalah seragam atas

seluruh panjang. Dengan kata lain, hanya rasio resistensi penting, bukan nilai perlawanan. Ini berarti

bahwa stabilitas pot (misalnya, pada rentang suhu) membuat tidak berpengaruh pada akurasi. Untuk

aplikasi daya rendah, pot impedansi tinggi yang diinginkan, bagaimanapun, efek pembebanan harus

selalu dipertimbangkan, demikian pengikut tegangan mungkin diperlukan. Wiper dari pot biasanya

elektrik terisolasi dari poros penginderaan. Untuk menggambarkan aplikasi dari sensor potensiometri,

Gambar. 7.1b menunjukkan tingkat sensor cair dengan pelampung yang terhubung ke wiper

potensiometer. Aplikasi yang berbeda membutuhkan desain potensiometer yang berbeda, beberapa

yang diilustrasikan pada Gambar. 7.1c. Gambar 7.2a menunjukkan salah satu masalah yang terkait

dengan potensiometer kawat-luka.

Wiper mungkin, sementara bergerak di gulungan, membuat kontak dengan salah satu atau

dua kawat, sehingga mengakibatkan langkah tegangan tidak merata (Gambar 7.2b) atau resolusi

variabel.

Karena itu, ketika potensiometer coil dengan bergantian N digunakan, hanya rata-rataresolusi n harus dipertimbangkan:

n = 100/N% (7.2)

Kekuatan yang dibutuhkan untuk memindahkan wiper berasal dari objek yang diukur dan energi yang

dihasilkan didisipasikan dalam bentuk panas. Kawat-luka potensiometer yang dibuat dengan kawat tipis

yang memiliki diameter dalam orde 0,01 mm. Sebuah potensiometer koil yang baik dapat memberikan



resolusi rata-rata sekitar 0,1% dari FS, sedangkan yang berkualitas tinggi potensiometer Film resistif

dapat menghasilkan resolusi yang sangat kecil, yang hanya dibatasi oleh keseragaman bahan resistif dan

lantai kebisingan rangkaian antarmuka.

Panci resolusi kontinyu yang dibuat dengan plastik konduktif, film karbon, film metal, atau

campuran keramik-logam, yang dikenal sebagai cermet. Wiper dari potensiometer presisi terbuat

dari paduan logam mulia. Perpindahan dirasakan oleh potensiometer sudut berkisar dari sekitar

10_ ke lebih dari 3.000 _ untuk pot multiturn (dengan mekanisme gear).Sebuah konsep lain pelaksanaan sensor posisi potensiometri dengan resolusi kontinyu

ditunjukkan pada Gambar. 7.3. Sensor ini terdiri dari dua strip - strip atas terbuat dari lembaran

plastik fleksibel yang memiliki permukaan metalized. Ini adalah kontak atau strip wiper. Stripbawah adalah kaku dan dilapisi dengan bahan resistif dari resistansi total mulai dari kΩ beberapamegohms. Strip konduktif atas (wiper) dan strip resistif bagian bawah yang terhubung ke dalam

sirkuit listrik. Ketika sebuah pendorong (misalnya jari) yang menempel pada strip atas pada x jarak tertentu dari akhir, strip kontak menyentuh strip bawah dan membuat id kontak listrik pada



titik tekanan. Artinya, strip kontak bekerja sebagai wiper dalam pot. Kontak antara dua strip

mengubah tegangan output dari E untuk ERx/R0, yang sebanding dengan jarak x dari sisi kiridari sensor. Pendorong (wiper) dapat geser sepanjang sensor menyebabkan tegangan output

variabel.

Contoh-contoh praktis dari berbagai bentuk tekanan-sensitif potensiometer ditunjukkan pada Gambar.

7,4 di mana lapisan resistif diendapkan pada substrat poliester. Hambatan keseluruhan bervariasi dari 1

sampai 100 KO dengan wiper (pendorong) kekuatan berkisar dari 1 sampai 3 Catatan N. bahwa wiperharus dibuat pada bahan licin, seperti derlin atau nilon. Atau, roller dapat digunakan sebagai sebuah

wiper.

Lain sensor potensiometri menarik menggunakan sifat piezoresistif dari plastik diresapi karbon. Prinsip

operasi seperti sensor berdasarkan perubahan resistansi dalam menanggapi deformasi mekanik.

Karbon-diresapi lapisan diendapkan pada substrat yang dibuat dari poliester, fiberglass atau Polimida.

Ketika cacat, karbon partikel kepadatan bervariasi dan selanjutnya bervariasi perlawanan secara

keseluruhan. Ini adalah prinsip yang sama yang digunakan dalam pengukur regangan dan merupakan

dasar dari sensor flex (Gambar 7.5A). Sensor tersebut dapat digunakan untuk pengendalian gerak,

peralatan medis, alat musik, robotika, dan perangkat lain di mana tikungan atau rotasi saling bagian

harus dipantau. Ada dua merek utama dari sensor flex yang terjangkau dan mudah tersedia:SpectraSymbol Flex sensor dan sensor non-Yahudi-Abrams, tersedia dari Jameco. Perlu dicatat bahwa

sensor tikungan mengubah perlawanan terhadap setiap deformasi substrat, termasuk tikungan

beberapa lokal dan tegangan linier. Juga, mereka memiliki histeresis sangat terlihat dan dapat menjadi

sumber kebisingan.

Sementara menjadi sangat berguna dalam banyak aplikasi, potensiometer dengan wiper kontak

memiliki beberapa kelemahan:



1. Terlihat mekanik beban (gesekan)

2. Kebutuhan kopling fisik dengan objek

3. kecepatan rendah

4. Gesekan dan eksitasi tegangan pemanas penyebab potensiometer

5. Rendah lingkungan stabilitas (pakai, kerentanan terhadap debu)

Sebuah sensor potensiometri mana kontak fisik antara wiper dan lapisan resistif sehingga gesekan

dieliminasi menggunakan lapisan wiper diresapi dengan partikel feromagnetik. Ketika sebuah magnet

eksternal diajukan hadir di lokasi tertentu di atas potensiometer, lapisan kontak ditarik ke lapisan

konduktif membuat kontak listrik, seperti wiper (Gambar 7.5b). Ini potensiometer magnetik disegel

sehingga dapat digunakan sebagai sensor terbenam untuk mengukur, misalnya, tingkat cairan. Sangat

penting untuk memilih sesuai magnet yang cukup kuat untuk operasi sensor (lihat Sect. 3.3.4). Meskipun

seperti potensiometer contactless memiliki gesekan tidak, tarik magnetik masih merupakan kekuatan

yang pposes gerakan magnet. Kekuatan yang harus dipertimbangkan dan diperhitungkan dalam aplikasi

sensitif.

7,2 Capacitive Sensor

Sensor perpindahan kapasitif memiliki aplikasi yang sangat luas - mereka bekerja langsung untuk

mengukur perpindahan dan posisi dan juga sebagai blok bangunan di sensor lain di mana perpindahan

diproduksi oleh suhu kekuatan, tekanan, dll Kemampuan detektor kapasitif merasakan hampir semua

bahan membuat mereka sebuah pilihan menarik bagi banyak aplikasi. Persamaan (3.20) mendefinisikan

bahwa kapasitansi dari sebuah kapasitor rata berbanding terbalik dengan jarak antara pelat. Prinsip

operasi alat pengukur kapasitif, kedekatan, dan sensor posisi didasarkan atas mengubah geometri (yaitu

jarak antara pelat kapasitor), atau variasi kapasitansi dalam kehadiran bahan konduktif atau dielektrik.

Ketika perubahan kapasitansi, dapat diubah menjadi sinyal listrik variabel. Seperti banyak sensor,

sebuah sensor kapasitif dapat berupa monopolar (menggunakan hanya satu kapasitor), diferensial

(menggunakan dua kapasitor), atau jembatan kapasitif dapat digunakan (menggunakan empat

kapasitor). Ketika dua atau empat kapasitor digunakan, satu atau dua kapasitor mungkin baik tetap atau

variabel dengan fase berlawanan.

Sebagai contoh pendahuluan, pertimbangkan tiga lempeng sama spasi di mana masing-masing memiliki

luas A (Gambar 7.6a). Pelat membentuk dua kapasitor C1 dan C2. Pelat atas dan bawah diberi makan

dengan out-of-fase sinyal sinewave, yaitu, fase sinyal dialihkan oleh 180_. Kedua kapasitor hampir sama

satu sama lain dan dengan demikian plat pusat hampir tidak ada tegangan yang berkaitan dengan tanah

- biaya pada C1 dan C2 membatalkan satu sama lain.



Sekarang, mari kita asumsikan bahwa plat pusat bergerak ke bawah dengan jarak x (Gambar 7.6b). Hal

ini menyebabkan perubahan nilai kapasitansi masing:

C1 =

dan C2 =

, (7.3)

dan peningkatan sinyal pusat piring sebanding dengan perpindahan sementara fase sinyal yang

merupakan indikasi dari arah piring pusat - atas atau bawah. Amplitudo dari sinyal output

= Vo

(7.4)

Selama x << x0, tegangan output dapat dianggap sebagai fungsi linear dari perpindahan. Yang

kedua merupakan peubah acak ketidakcocokan kapasitansi awal dan merupakan penyebab utama

untuk output offset. Offset juga disebabkan oleh efek tepi pada bagian perifer dari piring danoleh kekuatan yang disebut elektrostatik. Gaya adalah hasil dari tarik biaya dan tolakan yang

diterapkan pada pelat dari sensor dan piring berperilaku seperti mata air. Nilai sesaat dari gaya

adalah

F = -

(7.5)

Dalam desain lain, dua piring terpisah yang dibuat dengan menggunakan teknologi MEMS (Gambar 7,7).

Pelat yang macromachined silikon. Satu piring berfungsi untuk pengukuran perpindahan, sementara

yang lain adalah untuk referensi. Kedua pelat memiliki hampir bidang permukaan yang sama,

bagaimanapun pelat pengukuran didukung oleh empat suspensi fleksibel, sedangkan plat referensi

dipegang oleh suspensi kaku. Desain khusus ini sangat berguna untuk accelerometers.



Dalam aplikasi praktis, ketika mengukur jarak ke objek konduktif listrik, permukaan objek itu sendiri

dapat berfungsi sebagai piring kapasitor. Sebuah desain sensor kapasitif monopolar ditunjukkan pada

Gambar. 7,8, di mana satu piring dari kapasitor dihubungkan ke konduktor dari kabel koaksial,

sementara piring lain dibentuk oleh sasaran (objek). Perhatikan bahwa plat penyelidikan dikelilingi oleh

penjaga beralasan untuk meminimalkan efek tepi dan meningkatkan linieritas. Penyelidikan yang

kapasitif khas beroperasi pada frekuensi dalam kisaran 3 MHz dan dapat mendeteksi target bergerak

sangat cepat, karena respon frekuensi probe dengan built-in antarmuka elektronik adalah di kisaran 40

kHz. Sebuah sensor jarak kapasitif dapat sangat efisien ketika digunakan dengan objek elektrik

konduktif. Sensor mengukur kapasitansi antara elektroda dan objek.

Namun demikian, bahkan untuk objek nonconductive, sensor ini dapat digunakan cukup efisien

meskipun dengan akurasi yang lebih rendah. Setiap objek, konduktif atau nonconductive, yang

dibawa di sekitar elektroda, memiliki sifat dielektrik sendiri yang akan mengubah kapasitansiantara elektroda dan perumahan sensor dan, pada gilirannya, akan menghasilkan respon yangterukur.

Untuk meningkatkan sensitivitas dan mengurangi efek tepi, sensor kapasitif monopolar mungkin

diberikan dengan perisai driven. Ide di balik perisai didorong adalah untuk menghilangkanmedan listrik antara elektroda penginderaan dan bagian yang tidak diinginkan dari objek,



sehingga membuat kapasitansi parasit yang hampir tidak ada. Sebuah perisai didorong

diposisikan di sisi non-operasi elektroda dan diberi makan dengan tegangan sama dengan bahwapada elektroda. Karena perisai dan tegangan elektroda yang di-fase dan memiliki besar yang

sama, tidak ada medan listrik antara dua dan semua komponen diposisikan di belakang perisai

membuat tidak berpengaruh pada operasi. Teknik perisai didorong diilustrasikan pada Gambar.

7,9. Saat ini, jembatan kapasitif menjadi semakin populer dalam desain dari sensor perpindahan.Sebuah jembatan linier kapasitif sensor posisi yang ditunjukkan pada Gambar. 7.10a. Sensor ini

terdiri dari dua set elektroda planar yang sejajar dan berdekatan satu sama lain dengan jarak

pemisahan konstan, d. Peningkatan kapasitansi, dan jarak antara set piring relatif kecil. Setelektroda stasioner berisi empat elemen segi empat sedangkan set elektroda yang bergerak berisi

dua elemen persegi panjang. Semua enam elemen adalah sekitar ukuran yang sama (dimensi sisi

b). Ukuran piring masing-masing dapat sebagai besar seperti mekanis praktis, ketika berbagaimacam linearitas yang diinginkan. Empat elektroda dari himpunan stasioner adalah cross-

terhubung elektrik sehingga membentuk suatu jaringan jembatan jenis kapasitansi.



Sebuah sumber eksitasi jembatan menyediakan tegangan sinusoidal (5-50 kHz) dan perbedaan tegangan

antara sepasang bergerak piring dirasakan oleh penguat diferensial yang outputnya dihubungkan ke

input dari detektor sinkron. Kapasitansi dari dua plat paralel pada jarak pemisahan tetap adalah

sebanding dengan luas baik piring yang langsung menghadapi daerah sesuai piring lain. Gambar 7.10b

menunjukkan rangkaian ekuivalen dari sensor yang memiliki konfigurasi jembatan kapasitif. Nilai

kapasitor C1 adalah

C1 =

(7.6)

Kapasitansi lainnya berasal dari persamaan identik. Perhatikan bahwa kapasitor sebaliknya hampir

sama: C1 dan C2 C3 ¼ ¼ C4. Pergeseran saling piring sehubungan dengan hasil posisi sepenuhnya

simetris di mengacaukan keseimbangan jembatan dan output fase sensitif dari penguat diferensial.

Keuntungan dari rangkaian jembatan kapasitif adalah sama dengan setiap rangkaian jembatan: linearitas

dan kekebalan kebisingan eksternal. Selain elektroda datar seperti dijelaskan di atas, metode yang sama

dapat diterapkan untuk setiap pengaturan simetris sensor, misalnya, untuk mendeteksi gerakan

berputar.

7,3 Induktif dan Magnetic Sensor

Salah satu banyak keuntungan dari menggunakan medan magnet untuk posisi penginderaan dan jarak

adalah bahwa setiap bahan bukan magnetik dapat ditembus oleh diajukan tanpa kehilangan akurasi

posisi. Stainless steel, aluminium, kuningan, tembaga, plastik, batu, dan kayu dapat ditembus, yang

berarti bahwa posisi akurat sehubungan dengan probe pada sisi berlawanan dari dinding dapat

ditentukan hampir seketika. Keuntungan lain adalah bahwa sensor magnetik dapat bekerja dalam

lingkungan yang parah dan situasi korosif karena probe dan target bisa dilapisi dengan bahan inert yang

tidak akan mempengaruhi medan magnet

7.3.1 LVDT dan RVDT

Posisi dan perpindahan dapat dirasakan oleh metode induksi elektromagnetik. Sebuah kopling fluks

magnetik antara dua kumparan dapat diubah oleh pergerakan suatu objek dan kemudian diubah

menjadi tegangan. Sensor induktansi variabel yang menggunakan media feromagnetik nonmagnetized

untuk mengubah keengganan (resistensi magnetik) dari jalur fluks dikenal sebagai variabel-keengganan

transduser. Pengaturan dasar dari sebuah transduser multi-induksi berisi dua gulungan: primer dan



sekunder. Utama membawa eksitasi ac (Vref) yang menginduksi ac mantap tegangan pada kumparan

sekunder (Gambar 7.11). Amplitudo diinduksi tergantung pada kopling fluks antara kumparan. Ada dua

teknik untuk mengubah kopling. Salah satunya adalah gerakan dari suatu obyek terbuat dari bahan

feromagnetik dalam jalur fluks. Hal ini akan mengubah keengganan jalan, yang, pada gilirannya,

mengubah kopling antara kumparan. Ini adalah dasar untuk operasi diferensial linear transformator

variabel (LVDT), putar variabel diferensial transformator (RVDT), dan sensor induktansi bersama

kedekatan. Metode lainnya adalah bergerak secara fisik satu kumparan sehubungan dengan lain.

LVDT adalah transformator dengan inti mekanis digerakkan. Kumparan primer didorong oleh gelombang

sinus (sinyal eksitasi) yang memiliki amplitudo stabil. Gelombang sinus menghilangkan harmonik

kesalahan terkait dalam transformator. Sebuah sinyal ac diinduksi dalam kumparan sekunder. Sebuah

inti terbuat dari bahan feromagnetik dimasukkan koaksial ke dalam lubang silinder tanpa fisik

menyentuh kumparan. Kedua sekunder yang terhubung dalam tahap menentang. Ketika inti diposisikandi pusat magnetik dari transformator, sinyal keluaran sekunder membatalkan dan tidak ada tegangan

output. Pindah inti jauh dari posisi sentral unbalances rasio fluks induksi magnet antara sekunder,

mengembangkan output. Sebagai bergerak inti, keengganan perubahan jalur fluks. Oleh karena itu,

tingkat fluks




kopling tergantung pada posisi aksial dari inti. Pada kondisi mapan, amplitudo tegangan induksi

sebanding, di wilayah operasi linier, untuk perpindahan inti. Akibatnya, tegangan dapat digunakan

sebagai ukuran dari sebuah perpindahan. LVDT ini memberikan arah serta besarnya perpindahan. Arah

ditentukan oleh sudut fase antara tegangan (referensi) primer dan tegangan sekunder. Tegangan

eksitasi yang dihasilkan oleh osilator stabil. Untuk memberikan contoh bagaimana sensor bekerja,

Gambar. 7.12 menunjukkan LVDT terhubung ke detektor sinkron yang rectifies gelombang sinus dan

menyajikan pada output sebagai dc sinyal. Detektor sinkron terdiri dari multiplekser analog (MUX) dan

detektor nol-persimpangan, yang mengubah gelombang sinus menjadi pulsa persegi yang kompatibel

dengan input kontrol dari multiplexer. Sebuah fase dari detektor zerocrossing harus dipangkas untuk

output nol pada posisi sentral inti. Penguat output dapat dipangkas dengan keuntungan yang diinginkan

untuk membuat sinyal yang kompatibel dengan tahap-tahap berikutnya. Jam disinkronisasi ke

multiplexer berarti bahwa informasi yang disajikan kepada RC-filter pada masukan dari penguat adalah



amplitudo dan fase-sensitif. Tegangan keluaran mewakili seberapa jauh inti adalah dari pusat dan di sisi

mana.

Untuk LVDT mengukur gerakan transien secara akurat, frekuensi osilator harus setidaknya sepuluh kali

lebih tinggi daripada frekuensi signifikan tertinggi gerakan. Untuk proses yang lambat berubah, osilator

stabil dapat digantikan dengan kopling ke frekuensi saluran listrik 60 atau 50 Hz.

Keuntungan dari LVDT dan RVDT adalah sebagai berikut: (1) sensor adalah sebuah perangkat noncontact

tanpa atau sangat sedikit perlawanan gesekan dengan pasukan resistif kecil, (2) histeresis (magnet dan

mekanik) dapat diabaikan, (3) impedansi output sangat rendah, (4) kerentanan rendah untuk kebisingan

dan interferensi, (5) konstruksi yang solid dan kuat, dan (6) resolusi yang sangat kecil adalah mungkin.

Salah satu aplikasi yang berguna untuk sensor LVDT adalah dalam apa yang disebut kepala gauge,

yang digunakan dalam pemeriksaan alat dan peralatan pengukuran. Dalam hal ini, bagian dalam

inti LVDT adalah musim semi dimuat kembali kepala ukur untuk referensi ditetapkanposisi.

RVDT beroperasi pada prinsip yang sama seperti LVDT, kecuali bahwa inti feromagnetik rotary

digunakan. Penggunaan utama untuk RVDT adalah pengukuran perpindahan sudut. Berbagai linier khas

pengukuran adalah tentang 40_ _ dengan kesalahan nonlinier dari sekitar 1%.

7.3.2 Eddy Current Sensor

Eddy saat ini adalah gejala listrik ditemukan pada 1851 oleh fisikawan Perancis Le'on Foucault. Dengan

demikian, saat ini kadang-kadang disebut Foucault saat ini. Tampaknya dalam dua kasus: (1) ketika

sebuah konduktor terkena medan magnet yang berubah karena gerakan relatif dari sumber medan dan

konduktor dan (2) karena adanya perubahan intensitas medan magnet. Efek ini menyebabkan aliran

elektron beredar, atau saat ini, dalam tubuh konduktor. Ini beredar pusaran arus menciptakan medan

magnet induksi yang melawan perubahan medan magnet asli karena hukum Lenz, menyebabkan

kekuatan menjijikkan atau drag antara konduktor dan magnet. Semakin kuat medan magnet diterapkan,

atau semakin besar konduktivitas listrik konduktor, atau bidang yang lebih cepat konduktor terkena

perubahan, maka semakin besar arus yang dikembangkan dan semakin besar lapangan lawan.

Untuk merasakan kedekatan bahan bukan magnetik tetapi konduktif, efek dari arus eddy

digunakan dalam sensor dual coil (Gambar 7.13a). Satu koil digunakan sebagai referensi,sementara yang lain adalah untuk merasakan arus magnet induksi di objek konduktif. Arus eddymenghasilkan medan magnet, yang menentang bahwa dari gulungan penginderaan, sehingga

mengakibatkan mengacaukan keseimbangan terhadap kumparan referensi.




Semakin dekat objek untuk kumparan semakin besar perubahan impedansi magnetik. Kedalaman objek

mana arus eddy dihasilkan didefinisikan sebagai berikut :

. (7.7)

dimana f adalah frekuensi dan s adalah konduktivitas target. Tentu, untuk operasi yang efektif,

ketebalan objek harus lebih besar dari kedalaman itu. Oleh karena itu, detektor eddy tidak boleh

digunakan untuk mendeteksi film yang metalisasi atau benda foil. Umumnya, hubungan antara

impedansi coil dan jarak ke obyek x tidak linier dan suhu-dependen. Frekuensi operasi berbagai sensor

arus eddy berkisar antara 50 kHz sampai 10 MHz. Gambar 7.13b dan c menunjukkan dua konfigurasi dari

sensor arus eddy: dengan dan tanpa perisai. Sensor terlindung memiliki penjaga logam sekitar inti ferit

dan perakitan koil. Ini berfokus dan mengarahkan medan elektromagnetik ke bagian depan sensor. Hal

ini memungkinkan sensor untuk diinstal dan bahkan tertanam ke dalam struktur logam tanpa

mempengaruhi jangkauan deteksi. Sensor unshielded dapat merasakan di sisi-sisinya dan juga dari

depan. Akibatnya, kisaran mendeteksi sebuah sensor pair biasanya agak lebih besar dari sensor

terlindung dari diameter yang sama, namun, untuk beroperasi dengan baik, sensor unshielded

memerlukan objek sekitarnya non logam.

Selain deteksi posisi, sensor eddy dapat digunakan untuk menentukan ketebalan bahan, ketebalan



lapisan nonconductive, konduktivitas dan pengukuran plating, dan retak dalam materi. Crack deteksi

dan cacat permukaan menjadi aplikasi yang paling populer untuk sensor. Celah aliran interupsi dari arus

eddy dan mengakibatkan perubahan mendadak dalam sinyal output sensor.

Tergantung pada aplikasi, probe eddy mungkin konfigurasi kumparan banyak: sangat kecil dengan

diameter (2-3 mm) atau cukup besar (25 mm). Beberapa perusahaan bahkan membuat kustom

dirancang probe untuk memenuhi kebutuhan unik dari pelanggan (www.olympus-ims.com). Satu

keuntungan penting dari sensor eddy saat ini adalah bahwa mereka tidak perlu bahan magnetik untuk

operasi, sehingga mereka dapat cukup efektif pada suhu tinggi (baik melebihi suhu Curie dari bahan

magnetik), dan untuk mengukur jarak atau tingkat konduktif cairan, termasuk logam cair. Keuntungan

lain dari detektor adalah bahwa mereka tidak mekanis digabungkan ke objek dan dengan demikian efek

loading sangat rendah.

7.3.3 Sensor Induktif Transverse

Perangkat lain posisi-sensing elektromagnetik disebut sensor jarak melintang induktif. Hal ini berguna

untuk merasakan perpindahan relatif kecil bahan feromagnetik. Sesuai namanya, sensor mengukur jarak

ke obyek, yang mengubah medan magnet dalam kumparan. Induktansi kumparan diukur dengan sebuah

sirkuit elektronik eksternal (Gambar 7.14). Suatu prinsip induksi diri adalah dasar untuk operasi sensor.

Ketika bergerak ke sekitar benda feromagnetik, perubahan medan magnet, sehingga mengubah

induktansi dari kumparan. Keuntungan dari sensor adalah bahwa hal itu adalah perangkat yang

noncontact interaksi dengan objek hanya melalui medan magnet. Sebuah batasan yang jelas adalah

bahwa hal ini berguna hanya untuk benda-benda feromagnetik pada jarak yang relatif singkat.

Sebuah versi modifikasi dari transduser melintang yang ditunjukkan pada Gambar. 7.15a. Untuk

mengatasi keterbatasan untuk mengukur hanya bahan besi, disk feromagnetik terpasang ke objek

sementara menggusur kumparan memiliki posisi stasioner. Atau, kumparan mungkin melekat

pada objek dan inti adalah stasioner. Ini sensor jarak ini berguna untuk mengukur perpindahankecil saja, karena linearitas adalah miskin dibandingkan dengan LVDT. Namun, sangat berguna

sebagai detektor jarak untuk indikasi dekat dengan obyek, yang terbuat dari berbagai bahan

padat. Sebuah besarnya sinyal output sebagai fungsi jarak ke disk ditampilkan dalam Fig. 7.15b.



7.3.4 Hall Effect Sensors

Mungkin sensor magnetik yang paling banyak digunakan adalah sensors.2 efek Hall Ada dua jenis sensor

Hall: analog dan bi-tingkat (Gambar 7.16). Sensor analog biasanya menggabungkan amplifier untuk

antarmuka lebih mudah dengan sirkuit perifer. Dibandingkan dengan sensor dasar (Gambar 3.30),

sensor analog beroperasi pada rentang tegangan yang lebih luas dan lebih stabil di lingkungan yang

bising. Sensor ini tidak cukup linier (Gambar 7.17a) terhadap kerapatan medan magnet dan, karena itu,

untuk pengukuran presisi memerlukan kalibrasi. Sebuah sensor dua tingkat di samping penguat berisi

pemicu Schmitt dengan histeresis built-in dari ambang batas

tingkat. Sinyal output sebagai fungsi dari kerapatan medan magnet ditunjukkan pada Gambar. 7.17b.

Sinyal dua-tingkat dan telah jelas diucapkan histeresis sehubungan dengan medan magnet. Bila

kerapatan fluks magnet diterapkan melebihi batas tertentu, memicu menyediakan transien bersih dari

OFF ke posisi ON. Histeresis menghilangkan osilasi palsu dengan memperkenalkan pita zona mati di



mana tindakan dinonaktifkan setelah nilai ambang telah berlalu. Hall Sensor biasanya dibuat sebagai

chip silikon monolitik dan dikemas ke dalam epoksi kecil atau paket keramik.

Untuk posisi dan pengukuran perpindahan, sensor efek Hall harus disediakan dengan sumber medan

magnet dan rangkaian antarmuka elektronik. Sebuah medan magnet memiliki dua karakteristik penting

untuk aplikasi: densitas fluks dan polaritas (atau orientasi). Perlu dicatat bahwa untuk responsivitas yang

lebih baik, garis-garis medan magnet harus normal (tegak lurus) pada wajah datar dari sensor dan harus

berada pada polaritas yang benar. Misalnya, dalam dua tingkat sensor dibuat oleh Sprague ®, kutub

magnet selatan akan menyebabkan beralih tindakan dan kutub utara tidak akan berpengaruh.

Sebelum merancang sebuah detektor posisi dengan sensor Hall, analisis secara keseluruhan harus

dilakukan di sekitar dengan cara berikut. Pertama, kekuatan medan magnet harus diselidiki. Kekuatan

akan menjadi terbesar di wajah tiang, dan akan menurun dengan semakin jauh jaraknya dari magnet.

Bidang ini dapat diukur dengan Gaussmeter atau sensor Hall dikalibrasi analog. Untuk sensor Hall dua

tingkat jenis, jarak terpanjang di mana output sensor pergi dari ON (tinggi) ke OFF (rendah) disebut titik

pelepasan. Hal ini dapat digunakan untuk menentukan jarak kritis di mana sensor adalah berguna.

Kekuatan medan magnet tidak linear dengan jarak dan sangat tergantung pada bentuk magnet,

rangkaian magnetik, dan jalan yang ditempuh oleh magnet. Strip konduktif Hall terletak di kedalaman

beberapa di dalam perumahan sensor. Ini menentukan jarak operasi minimum. Sebuah magnet harus

beroperasi andal dengan celah udara total efektif dalam lingkungan kerja. Ini harus sesuai dengan ruang

yang tersedia, harus mountable, terjangkau, dan available.3

Sebagai contoh pertama dari aplikasi sensor Hall, mari kita lihat detektor tingkat cair dengan pelampung

(Gambar 7.18). Sebuah magnet permanen tertanam di dalam pelampung memiliki lubang di tengah.

Float bebas dapat geser ke atas dan ke bawah tiang yang diposisikan di dalam tangki berisi cairan. Posisi

mengambang sesuai dengan tingkat permukaan cairan. Sebuah sensor Hall dua tingkat sudah terpasang

di bagian atas tiang, yang harus dibuat pada bahan bukan magnetik. Ketika permukaan cairan naik dan

mencapai tingkat deteksi (titik release), saklar Balai memicu dan mengirim sinyal ke perangkatpemantauan. Ketika permukaan cairan turun di bawah titik pelepasan ditambah histeresis ambang

batas, perubahan Aula output sensor tegangan, menunjukkan bahwa tingkat cairan turun. Titik deteksi

tergantung pada tiga faktor: kekuatan magnet dan bentuk, sensitivitas sensor Hall, histeresis, dan

kehadiran komponen feromagnetik di sekitar sensor Hall.




Hall Sensor dapat digunakan untuk interrupter switching dengan objek yang bergerak. Dalam

mode ini, magnet mengaktifkan dan sensor Hall terpasang pada perakitan kasar tunggal dengancelah udara kecil di antara mereka (Gambar 7.19). Dengan demikian, sensor diselenggarakan di

posisi ON oleh magnet mengaktifkan. Jika piring feromagnetik, atau baling-baling, ditempatkanantara magnet dan sensor Hall, baling-baling membentuk shunt magnet yang mendistorsi fluksmagnetik dari sensor. Hal ini menyebabkan sensor untuk flip ke posisi OFF. Sensor Hall dan

magnet dapat dibentuk menjadi perumahan umum, sehingga menghilangkan masalah

keselarasan. Para besi baling-baling, yang mengganggufluks magnetik, bisa memiliki gerakan linier atau berputar. Contoh dari alat tersebut adalah

distributor mobil.

Seperti sensor lainnya, empat Balai sensor dapat dihubungkan ke rangkaian jembatan untuk

mendeteksi gerakan linier atau melingkar. Angka 7.20a dan b menggambarkan konsep di manasensor dibuat dengan menggunakan teknologi MEMS pada satu chip dan dikemas dalam

perumahan-SOIC 8 plastik. Sebuah magnet melingkar diposisikan di atas chip dan sudut rotasi

dan arah dirasakan dan diubah menjadi kode digital.



Sifat-sifat sebuah konverter analog-ke-digital menentukan respon kecepatan yang memungkinkan

magnet untuk memutar dengan kecepatan hingga 30.000 rpm. Seperti sensor memungkinkan

penginderaan presisi gesekan bebas linier dan sudut posisi, encoding presisi sudut, dan bahkan untuk



membuat rotary switch diprogram. Berkat koneksi jembatan dari sensor individu, sirkuit ini sangat

toleran terhadap misalignment magnet dan gangguan eksternal, termasuk medan magnet.

Desain sensor 3-D efek Hall koordinat bekerja dengan secara elektronik mengukur dan membandingkan

fluks magnetik dari target bergerak melalui empat jalur magnetik secara geometris sama disusun secara

simetris di sekitar sumbu probe (Gambar 7.20c, d). Ini adalah setara magnetik dari sebuah jembatan

Wheatstone. Bidang simetris magnetik target, yang dihasilkan oleh sebuah magnet permanen,

perjalanan dari tiang pusat melalui udara ke tepi luar jika tidak di sekitar probe. Karena fluks dari sasaran

akan mengambil jalan paling perlawanan (keengganan), fluks akan melalui probe ketika target yang

cukup dekat dengan itu. Probe memiliki wajah tiang pusat dibagi menjadi empat bagian yang sama. Nilai

fluks di A, B, C, D dan jalan diukur dengan sensor efek Hall masing-masing. Ada dua cara untuk membuat

target. Salah satunya adalah aktif dan yang lainnya pasif. Target aktif menggunakan magnet permanen

untuk menghasilkan medan magnet, yang dirasakan oleh probe ketika berada dalam kisaran jarak.

Target pasif tidak menghasilkan medan magnet, sebaliknya, lapangan dihasilkan oleh probe dan

dikembalikan oleh target. Contoh dari aplikasi ini adalah bimbingan sistem kendaraan tak berawak yang

membawa kendaraan lebih roadbed dengan strip logam pasif menargetkan terkubur tepat di bawah

permukaan jalan. Probe melekat pada kendaraan. Sasaran akan memberikan posisi, kecepatan, dan arah

sebagai probe melewati di atasnya. Penyelidikan dan target dapat dipisahkan dengan beberapa inci.

Sebuah gerakan berputar dapat secara digital dikodekan dengan presisi tinggi. Untuk memanfaatkan fitur ini, sensor jarak linier dapat dibangun dengan konverter dari linier menjadi

gerakan berputar seperti ditunjukkan pada Gambar. 7,21. Sensor tersebut diproduksi, misalnya,

dengan Kontrol SpaceAge, Inc (www.spaceagecontrol.com).

7.3.5 Sensor magnetoresistive

Sensor ini adalah sama dalam aplikasi untuk sensor efek Hall. Untuk fungsi, mereka

membutuhkan medan magnet luar. Oleh karena itu, setiap kali sensor magnetoresistivedigunakan sebagai posisi, jarak, atau detektor rotasi, itmust menjadi dikombinasi dengan sumber

medan magnet.



Biasanya, bidang ini berasal dari magnet permanen, yang melekat ke sensor. Gambar 7.22 menunjukkan

pengaturan yang sederhana untuk menggunakan kombinasi sensorpermanent-magnet tomeasure

perpindahan linier. Ia mengungkapkan beberapa masalah yang mungkin dihadapi jika account yang

tepat tidak diambil dari efek yang dijelaskan di bawah. Ketika sensor ditempatkan dalam medan magnet,

itu terkena bidang di kedua arah x dan y. Jika themagnet adalah orientedwith sumbu sejajar untuk stripsensor (yaitu dalam arah x-) seperti ditunjukkan pada Gambar. 7.22a, Hx kemudian menyediakan

lapangan pembantu, dan variasi dalam Hy dapat digunakan sebagai ukuran perpindahan x. Gambar

7.22b menunjukkan bagaimana kedua Hx dan Hy bervariasi dengan x, dan Gambar. 7.22c menunjukkan

sinyal output yang sesuai. Dalam contoh ini, Hx tidak pernah melebihi _ ^ Hx (bidang yang dapat

menyebabkan membalik dari sensor) dan karakteristik sensor tetap stabil dan wellbehaved sepanjang

rentang pengukuran. Namun, jika magnet terlalu kuat, atau sensor lewat terlalu dekat dengan magnet,

sinyal output akan berbeda secara drastis.

Misalkan sensor awalnya pada sumbu transversal dari magnet (x ¼ 0). Hy akan menjadi nol dan

Hx akan berada pada nilai maksimum (> Hx). Jadi sensor akan berorientasi dalam arah x + dan

tegangan output akan bervariasi seperti pada Gambar. 7.21e. Dengan sensor gerakan dalam arah

+ x, Hy dan V0 meningkat, dan Hx jatuh ke nol dan kemudian naik negatif sampai melebihi Hy-Hx. Pada titik ini, karakteristik sensor membalik dan tegangan output membalikkan, bergerak

dari A ke B pada Gambar. 7.22e. Sebuah peningkatan lebih lanjut dalam x menyebabkan

tegangan sensor untuk bergerak sepanjang BE. Jika sensor tersebut akan dipindahkan ke arahyang berlawanan, namun, Hx meningkat sampai melebihi + Hx dan V0 bergerak dari B ke C.

Pada titik ini, karakteristik sensor lagi membalik dan V0 bergerak dari C ke D. Kemudian, di

bawah kondisi ini, karakteristik sensor akan melacak ABCD histeresis loop, dan loop yang sama



ke arah _x. Gambar 7.22e merupakan kasus ideal, karena pembalikan tidak pernah sebagai tiba-

tiba seperti yang ditunjukkan.

Gambar 7.23a menunjukkan bagaimana KMZ10B dan sensor KM110B magnetoresistive dapatdigunakan untuk membuat pengukuran posisi benda logam. Sensor ini terletak antara piring dan

magnet permanen, yang berorientasi dengan sumbu magnetik normal terhadap sumbuplate.Adiscontinuity logam dalam struktur pelat, seperti lubang atau daerah dari bahan bukan

magnetik, akan mengganggu medan magnet dan menghasilkan variasi dalam sinyal output dari

sensor. Gambar 7.23b menunjukkan sinyal output untuk dua nilai dari d spasi. Pada titik di mana

lubang dan sensor yang tepat sesuai, output adalah nol terlepas dari jarak d atau suhu sekitarnya.Gambar 7.24 menunjukkan lain pengaturan, yang berguna untuk mengukur perpindahan sudut.

Sensor itu sendiri terletak di medan magnet yang dihasilkan oleh dua magnet permanen tetap ke

kerangka rotable. Output dari sensor kemudian akan menjadi ukuran rotasi dari frame.

Gambar 7.25A menggambarkan penggunaan sensor KM110 tunggal untuk mendeteksi rotasi dan

arah roda bergigi. Metode deteksi arah didasarkan pada pemrosesan sinyal terpisah untuk duasensor tiri jembatan output.

Sensor ini beroperasi seperti jembatan Wheatstone magnetik mengukur kondisinonsymmetricalmagnetic aswhen seperti gigi atau pinsmove di depan sensor. Pemasangan sensor

dan magnet sangat penting, sehingga sudut antara sumbu simetri sensor dan bahwa dari

toothedwheel harus tetap mendekati nol. Selanjutnya, kedua sumbu (yang sensor dan roda) harusbersamaan. Rangkaian Gambar. 7.25b menghubungkan kedua output jembatan ke amplifier yang



sesuai, dan, kemudian, untuk low-pass filter dan Schmitt memicu untuk membentuk sinyal

output persegi panjang.

Perbedaan fase antara kedua output (Gambar 7.26A Melakukan, b) merupakan indikasi dari arah rotasi.



7.3.6 magnetostrictive Detector

Sebuah transduser, yang dapat mengukur perpindahan dengan resolusi tinggi melintasi jarak

jauh, dapat dibangun dengan menggunakan teknologi Magnetostriktif dan ultrasonik.

Transduser ini terdiri dari bagian twomajor: a longwaveguide (sampai 7mlong) dan cincin magnet

permanen (Gambar 7.27). Magnet dapat bergerak bebas sepanjang Waveguide tanpa menyentuhnya.

Sebuah posisi magnet yang adalah stimulus, yang diubah oleh sensor menjadi sinyal output listrik.

Waveguide berisi sebuah konduktor, yang setelah menerapkan pulsa listrik, membuat sebuah medan

magnet atas lapangan length.Another seluruh magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen hanya

ada di sekitarnya. Demikianlah dua medan magnet mungkin setup pada titik di mana magnet permanen

adalah located.Asuperposition dari dua hasil ladang di bidang netmagnetic, yang dapat ditemukan dari

penjumlahan vektor. Bidang ini bersih, sementara yang spiral terbentuk di sekitar Waveguide,

menyebabkan ia mengalami ketegangan torsi menit, atau twist di lokasi magnet. Sentuhan ini dikenal

sebagai efek Wiedemann.

Oleh karena itu, pulsa elektrik disuntikkan ke konduktor koaksial Waveguide itu menghasilkan pulsasentuhan mekanis, yang merambat sepanjang waveguide dengan kecepatan tertentu suara untuk

materialnya. Ketika pulsa tiba di kepala eksitasi sensor, saat kedatangannya justru diukur. Salah satu

cara untuk mendeteksi denyut nadi itu adalah dengan menggunakan detektor yang dapat mengkonversi

kedutan ultrasonik menjadi keluaran listrik. Ini bisa dicapai oleh sensor piezoelektrik, atau seperti yang

ditunjukkan pada Gambar. 7.27 oleh sensor keengganan magnetik. Sensor ini terdiri dari dua kumparan

kecil diposisikan dekat dua magnet permanen. Kumparan secara fisik digabungkan ke Waveguide dan

dapat brengsek kapan Waveguide mengalami kedutan itu. Ini menyiapkan pulsa listrik pendek di



kumparan. Waktu tunda ini pulsa dari pulsa eksitasi yang sesuai pada konduktor koaksial adalah ukuran

yang tepat dari posisi cincin magnet. Sebuah sirkuit elektronik yang tepat mengubah waktu tunda

menjadi wakil kode digital dari posisi dari magnet permanen di Waveguide. Keuntungan dari sensor ini

adalah linearitas yang tinggi (di urutan 0,05% dari skala penuh), keterulangan yang baik (di urutan 3

mm), dan stabilitas jangka panjang. Sensor dapat menahan lingkungan agresif, seperti tekanan tinggi,

suhu tinggi, dan radiasi yang kuat. Keuntungan lain dari sensor ini rendah suhu sensitivitas, yang dengan

desain yang cermat, dapat dicapai pada urutan 20 ppm / _C.

Aplikasi sensor ini mencakup silinder hidrolik, mesin cetak injeksi (untuk mengukur perpindahan linier

untuk posisi cetakan penjepit, injeksi bahan cetakan dan pengusiran bagian dibentuk), pertambangan

(untuk mendeteksi gerakan sekecil batu 25 mm), rolling mills, menekan, menempa, lift, dan perangkat

lain di mana resolusi halus bersama dimensi besar adalah suatu kebutuhan.

7,4 Optical Sensor

Setelah kontak mekanik dan sensor potentionometric, sensor optik adalah mungkin yang paling

populer untuk mengukur posisi dan perpindahan. Keuntungan utama mereka adalahkesederhanaan, tidak adanya efek loading, dan jarak operasi relatif lama. Mereka tidak sensitif menyimpang medan magnet dan gangguan listrik, yang membuat mereka sangat cocok untuk

aplikasi yang sensitif banyak. Sensor posisi optik biasanya memerlukan setidaknya tiga

komponen penting: sumber cahaya, photodetektor, dan perangkat bimbingan cahaya, yangmungkin termasuk lensa, cermin, serat optik, dll Contoh tunggal dan ganda modus sensor jarak

serat optik ditunjukkan pada Gambar . 4.17b dan 4,18 (Bab 4). Pengaturan serupa sering

dilaksanakan tanpa serat-serat optik, ketika cahaya dipandu menuju sasaran dengan lensa fokus,dan dialihkan kembali ke detektor oleh reflektor.

7.4.1 Optical Bridge

Sebuah konsep rangkaian jembatan, seperti jembatan classicalWheatstone, digunakan di banyak

sensor dan sensor optik adalah contoh yang baik seperti sensor. Salah satu penggunaan dari

rangkaian jembatan yang ditunjukkan pada Gambar. 7,28. Sebuah empat kuadran photodetektorterdiri dari empat detektor cahaya terhubung dalam rangkaian jembatan-seperti. Objek harus

memiliki kontras optik terhadap latar belakang. Pertimbangkan systemof posisi kendaraan ruang

(Gambar 7.28a).



Sebuah gambar matahari atau benda angkasa lainnya cukup cerah difokuskan oleh sistem optik

(misalnya teleskop) pada empat kuadran photodetektor. Bagian-bagian berlawanan dari detektor yang

terhubung ke input yang sesuai dari amplifier perbedaan (Gambar 7.28b). Setiap amplifier menghasilkan

sinyal output sebanding dengan perpindahan gambar dari pusat optik dari sensor sepanjang sumbu yang

sesuai. Ketika foto tersebut sangat terpusat, baik amplifier menghasilkan nol output. Hal ini bisa terjadi

hanya ketika sumbu optik teleskop melewati objek.

7.4.2 Proximity Detector dengan Cahaya Polarized

Salah satu metode untuk membangun sebuah sensor optoelektronik lebih baik adalah dengan

menggunakan cahaya terpolarisasi. Setiap foton cahaya memiliki spesifik arah medan magnet dan listrik

tegak lurus satu sama lain dan terhadap arah propagasi. Arah medan listrik adalah arah polarisasi cahaya

(lihat Sect. 3.13.1). Sebagian besar sumber cahaya menghasilkan cahaya dengan foton secara acak

terpolarisasi. Untuk membuat cahaya terpolarisasi, dapat diarahkan melalui filter polarisasi, yaitu, bahan

khusus, yang memancarkan cahaya terpolarisasi hanya dalam satu arah dan menyerap dan

mencerminkan foton dengan polarisasi yang salah. Namun, setiap arah polarisasi dapat

direpresentasikan sebagai jumlah geometris dua polarisasi ortogonal: satu adalah sama dengan filter

dan yang lainnya nonpassing. Jadi, dengan memutar polarisasi cahaya sebelum filter polarisasi kita

secara bertahap dapat mengubah intensitas cahaya pada output filter (Gambar 7.29).

Ketika cahaya terpolarisasi pemogokan objek, cahaya yang dipantulkan dapat mempertahankan

polarisasi (refleksi specular) atau sudut polarisasi dapat berubah. Yang terakhir adalah khas untuk benda

non logam banyak. Jadi, untuk membuat sensor nonresponsive ke objek reflektif (seperti kaleng logam,bungkus foil, dan sejenisnya), mungkin termasuk dua filter polarisasi posisi tegak lurus: satu di sumber

cahaya dan yang lainnya di detektor (Gambar 7.30a, b ).

Filter pertama diposisikan pada lensa pemancar (sumber cahaya) untuk mempolarisasi cahaya keluar.

Filter kedua adalah pada lensa penerima (detektor) untuk memungkinkan bagian hanya komponen

cahaya, yang memiliki rotasi 90_ sehubungan dengan polarisasi keluar.



Setiap kali cahaya dipantulkan dari sebuah reflektor specular (logam), arah polarisasi nya tidak

berubah dan filter menerima tidak akan memungkinkan cahaya untuk melewati untuk

photodetektor. Namun, ketika cahaya dipantulkan dengan cara nonspecular, komponen-komponennya akan berisi jumlah yang cukup polarisasi melalui filter menerima dan

mengaktifkan detektor. Oleh karena itu, penggunaan polarizer mengurangi positif palsu deteksi

benda non logam.

7.4.3 Fiber-Optic Sensor

Serat optik sensor dapat digunakan cukup efektif sebagai kedekatan dan tingkat detektor. Salahsatu contoh sensor pergeseran diperlihatkan pada Gambar. 4,18 (Bab 4), di mana intensitas

cahaya yang dipantulkan dimodulasi oleh jarak d ke permukaan reflektif.Sebuah detektor tingkat cair (lihat juga Sect. 7.7.3) dengan dua serat dan prisma ditunjukkan pada

Gambar. 7,31. Ini menggunakan perbedaan antara indeks bias udara (atau fase gas dari material) dan

cair diukur. Ketika sensor berada di atas permukaan cairan, serat transmisi (di kiri) mengirimkan

sebagian besar cahaya kepada serat penerima (di kanan) karena refleksi internal total dalam prisma.



Namun, beberapa sinar cahaya mendekati permukaan reflektif prisma di sudut kurang dari sudut refleksi

internal total hilang ke sekitarnya. Ketika prisma mencapai level cairan, sudut perubahan refleksi

internal total karena indeks bias cairan adalah lebih tinggi dari udara. Hal ini mengakibatkan kerugian

jauh lebih besar pada intensitas cahaya, yang dapat dideteksi di ujung lain dari serat penerima.

Intensitas cahaya diubah menjadi sinyal listrik oleh converter cahaya ke tegangan yang sesuai. Versi lain

dari sensor ditunjukkan pada Gambar. 7,32, yang menunjukkan sensor dibuat dengan Sensor Gems

(Plainville, CT). Serat ini berbentuk U dan setelah dicelupkan ke dalam cairan, memodulasi intensitas

melewati cahaya. Detektor memiliki dua daerah sensitif di dekat tikungan di mana jari-jari kelengkungan

adalah yang terkecil. Sebuah djemaah dikemas ke probe diameter 5-mm dan memiliki kesalahan

pengulangan sekitar 0,5 mm. Perhatikan bahwa bentuk dari elemen penginderaan menarik tetesan

cairan dari daerah penginderaan ketika probe tinggi daripada tingkat cair.



7.4.4 Fabry-Perot Sensor

Untuk mengukur perpindahan kecil dengan presisi tinggi dalam lingkungan yang keras, yang

disebut rongga Fabry-Perot optik dapat digunakan. Rongga ini berisi dua cermin semireflective

saling berhadapan dan dipisahkan oleh jarak L (Gambar 7.33a). Rongga ini disuntikkan dengan

cahaya dari sumber yang dikenal (laser, misalnya) dan foton di dalam rongga memantul bolak-balik antara dua cermin mengganggu satu sama lain dalam proses. Bahkan, rongga adalah tangki

penyimpanan untuk cahaya. Pada beberapa frekuensi foton, cahaya dapat keluar dari rongga.

Sebuah interferometer Fabry-Perot pada dasarnya filter frekuensi transmisi frekuensi yang eratberhubungan dengan panjang rongga (Gambar 7.33b). Sebagai perubahan panjang rongga,

frekuensi di mana ia mengirimkan perubahan cahaya yang sesuai. Jika Anda membuat salah satu

cermin bergerak, dengan memantau frekuensi transmisi optik, perubahan sangat kecil dalampanjang rongga dapat diselesaikan. Band sempit cahaya yang ditransmisikan dipisahkan oleh

frekuensi yang berbanding terbalik dengan panjang rongga:

=

(7.8)

dimana c adalah kecepatan cahaya. Untuk rongga praktis dengan pemisahan cermin di urutan 1 mm,

nilai-nilai khas Dn adalah antara 500 MHz dan 1 GHz. Jadi, dengan mendeteksi pergeseran frekuensi dari

cahaya yang ditransmisikan sehubungan dengan sumber cahaya referensi, perubahan dimensi rongga

dapat diukur dengan akurasi yang sebanding dengan panjang gelombang cahaya. Apapun yang

menyebabkan perubahan dalam dimensi rongga (gerakan cermin), mungkin menjadi subyek

pengukuran. Ini termasuk ketegangan, gaya, tekanan, dan suhu.

Fabry-Perot rongga berbasis sensor telah banyak digunakan untuk fleksibilitas mereka, misalnya, mereka

telah digunakan untuk merasakan baik tekanan dan suhu [6-9]. Jenis sensor mendeteksi perubahan

panjang jalur optik yang disebabkan oleh salah satu perubahan dalam indeks bias atau perubahan

panjang fisik rongga.

Teknik micromachining membuat Fabry-Perot sensor lebih menarik dengan mengurangi ukuran dan

biaya dari elemen penginderaan. Keuntungan lain dari sensor Fabry-Perot miniatur adalah bahwa

sumber cahaya rendah koherensi, seperti dioda pemancar cahaya (LED) atau lampu bahkan cahaya,

dapat digunakan untuk menghasilkan sinyal interferometric.

Sebuah sensor tekanan dengan rongga Fabry-Perot ditunjukkan pada Gambar. 7.34a. Tekanan



diterapkan pada membran bagian atas. Di bawah tekanan, diafragma mengalihkan dalam hati sehingga

mengurangi rongga L. dimensi rongga ini monolithically dibangun oleh teknologi micromachined dan

cermin dapat berupa lapisan dielektrik atau lapisan logam didepositkan atau menguap selama proses

manufaktur. Ketebalan setiap lapisan harus dikontrol ketat untuk mencapai target kinerja dari sensor.

Sebuah sensor tekanan ultraminiature diproduksi oleh FISO Technologies (www.fiso.com) ditunjukkan

pada Gambar. 7.34b. Sensor ini memiliki koefisien temperatur yang sangat kecil dari sensitivitas

(<0,03%) dan memiliki diameter luar 0,55 mm, yang membuatnya ideal untuk aplikasi kritis seperti

dalam perangkat medis implan dan instrumen invasif lainnya.

Sebuah sistem pengukuran untuk sensor Fabry-Perot ditunjukkan pada Gambar. 7,35. Cahaya dari

sumber cahaya putih digabungkan melalui splitter 2 2 _ untuk serat optik yang pada gilirannya

terhubung ke sensor. Sensor ini berisi rongga Fabry-Perot interferometer (FPI) dan mencerminkan

kembali cahaya pada panjang gelombang berhubungan dengan ukuran rongga. Tugas dari sistem ini

adalah untuk mengukur pergeseran panjang gelombang. Hal ini dilakukan oleh WhiteLight lintas

correlator yang berisi irisan Fabry-Perot. Wedge yang berlaku adalah rongga dimensi linear variabel.

Tergantung dari panjang gelombang yang diterima, lewat cahaya hanya pada lokasi tertentu bukit itu.

Posisi cahaya keluar di apit dapat dideteksi oleh detektor posisi sensitif (PSD) yang dijelaskan secara rinci

dalam halaman berikut. Output dari detektor langsung berhubungan dengan stimulus masukan

diterapkan pada sensor FPI.Metode penginderaan memiliki keuntungan dari ketidakpekaan, respon linier dengan intensitas cahaya

yang dihasilkan dari sumber cahaya atau transmisi serat, fleksibilitas untuk mengukur rangsangan yang

berbeda dengan instrumen yang sama, dynamic range luas (1:15.000), dan resolusi tinggi. Selain itu,

sensor serat optik kebal terhadap interferensi elektromagnetik dan banyak frekuensi radio (EMI dan RFI)

dan dapat beroperasi andal dalam lingkungan yang keras tanpa efek samping. Sebagai contoh, sebuah

sensor FPI dapat berfungsi di dalam oven microwave.



7.4.5 Sensor Grating

Sebuah transduser perpindahan optik dapat dibuat dengan dua kisi-kisi tumpang tindih, yang berfungsi

sebagai modulator intensitas cahaya (Gambar 7.36a). Sinar percontohan masuk pemogokan kisi,

pertama stasioner, yang memungkinkan hanya sekitar 50% cahaya untuk lulus ke arah kisi-kisi, kedua

bergerak. Ketika sektor buram dari kisi bergerak yang tepat sesuai dengan sektor transmisi dari grating

stasioner, cahaya akan benar-benar redup keluar. Oleh karena itu, intensitas cahaya sinar transmisi

dapat dimodulasi 0-50% dari balok percontohan (Gambar 7.36b). Sinar ditransmisikan difokuskan pada

permukaan yang sensitif dari photodetektor, yang mengubah cahaya menjadi arus listrik.

Perpindahan besar-besaran adalah sama dengan ukuran sektor (atau jelas) buram. Ada trade-off antara

rentang dinamis dari modulator dan kepekaannya. Artinya, untuk lapangan besar dari kisi (ukuran besar

sektor transparan dan opak), sensitivitas rendah, bagaimanapun, perpindahan skala penuh adalah besar.

Untuk sensitivitas yang lebih tinggi, lapangan kisi dapat dibuat sangat kecil, sehingga gerakan menit dari

kisi-kisi akan menghasilkan sinyal keluaran yang besar. Jenis modulator digunakan dalam hidrofon

sensitif untuk merasakan perpindahan dari diafragma. Lemparan kisi adalah 10 μm, yang berarti bahwa

perpindahan skala penuh adalah 5 μm.



Sumber cahaya adalah 2-mW He-Ne laser yang cahaya digabungkan ke kisi-kisi melalui serat optik. Tesdari hidrofon ini menunjukkan bahwa perangkat ini sensitif dengan dynamic range dari 125 dB tekanan

karena direferensikan ke 1 MPa, dengan respon frekuensi sampai 1 kHz.

Suatu prinsip kisi modulasi cahaya yang digunakan dalam berputar sangat populer atau encoders linier,

di mana topeng bergerak yang biasanya dibuat dalam bentuk disk memiliki bagian transparan dan opak

(Gambar 7.37). Detektor foto memberikan output biner: on dan off. Dengan kata lain, fungsi harddisk

pengkodean sebagai interrupter balok cahaya dalam optocoupler. Ketika bagian buram dari disk rusak

berkas cahaya, detektor dimatikan (menunjukkan ZERO digital), dan ketika cahaya melewati bagian

transparan, detektor menyala (menunjukkan digital SATU). Encoders optik biasanya menggunakan

emitter dan detektor inframerah beroperasi dalam kisaran spektral 820-940 nm. Disk terbuat dari plastik

laminasi dan garis-garis buram yang dihasilkan oleh proses fotografi. Atau, disk yang dibuat dari pelatlogam menggunakan technology.6 photoetching disk plastik ringan, memiliki inersia yang rendah, biaya

rendah, dan ketahanan yang sangat baik untuk shock dan getaran.

Namun, mereka memiliki rentang suhu operasi yang terbatas. Disk untuk rentang suhu yang lebih luas

yang dibuat dari logam terukir.

Ada dua jenis disk pengkodean: yang inkremental, yang menghasilkan transien setiap kali diputar untuk

sudut pitch, dan absolut, yang sudut posisi dikodekan dalam kombinasi daerah buram dan transparan

sepanjang jari-jari. Encoding dapat didasarkan pada setiap kode digital nyaman. Yang paling umum

adalah kode abu-abu, biner, dan BCD (desimal berkode biner).

Sistem pengkodean inkremental lebih sering digunakan daripada sistem absolut, karena biaya yang lebih

rendah dan kompleksitas, terutama dalam aplikasi, di mana perpindahan (count incremental) yang

diinginkan, bukan posisi.



Ketika menggunakan disk pengkodean incremental, penginderaan dasar gerakan dapat dibuat dengan

saluran optik tunggal (pasangan emitor-detektor), sedangkan kecepatan dan posisi tambahan, dan arah

penginderaan harus menggunakan dua. Pendekatan yang paling umum digunakan adalah penginderaan

quadrature, di mana posisi relatif dari sinyal output dari dua saluran optik dibandingkan. Perbandingan

memberikan informasi arah, sementara salah satu saluran individu memberikan sinyal transisi yang

digunakan untuk memperoleh baik jumlah atau informasi kecepatan (Gambar 7.37c, d).

7.4.6 Optical Sensor Linear

Untuk pengukuran presisi posisi atas rentang pendek dan jangka panjang, sistem optik yang beroperasi

di inframerah dekat bisa sangat efektif. Contohnya adalah PSD diproduksi untuk posisi presisi sensing

dan autofocusing di kamera foto dan video. Modul pengukuran posisi adalah dari jenis aktif: itu

menggabungkan light emitting diode (LED) dan PSD photodetective. Posisi benda ditentukan dengan

prinsip triangularmeasurement a. Gambar 7.38 menunjukkan bahwa LED inframerah dekat melalui lensa

kolimator menghasilkan balok sudut sempit (<2 ^ 0). Balok adalah 0,7 ms pulsa luas. Pada mencolok

objek, balok dipantulkan kembali ke detektor. Lampu intensitas yang diterima rendah difokuskan pada

permukaan sensitif dari PSD. PSD kemudian menghasilkan sinyal keluaran (arus IB dan IA), yang

sebanding dengan jarak x dari spot cahaya pada permukaannya, dari posisi pusat. Intensitas sinar yang

diterima sangat tergantung pada sifat reflektif dari sebuah objek. Reflektifitas difusif dalam kisaran

spektral inframerah dekat dekat dengan yang di kisaran terlihat, maka, intensitas insiden cahaya pada

PSD memiliki banyak variasi. Namun demikian, akurasi pengukuran tergantung sangat sedikit pada

intensitas cahaya yang diterima.PSD Sebuah beroperasi pada prinsip photoeffect. Itu membuat penggunaan resistensi permukaan dioda

silikon. Tidak seperti sensor MOS dan mengintegrasikan CCD array multielemen fotodioda, PSD memiliki

area sensitif nondiscrete. Ini menyediakan satu dimensi, atau sinyal posisi dua dimensi pada sebuah titik

cahaya perjalanan di atas permukaan yang sensitif.



Sebuah sensor yang dibuat dari sepotong highresistance silikon dengan dua lapisan (ρ dan n ^ + jenis)

yang dibangun di sisi berlawanan (Gbr. 7.39). Sebuah sensor satu dimensi memiliki dua elektroda (A dan

B) dibentuk pada lapisan atas untuk memberikan kontak listrik untuk perlawanan tipe-p. Ada elektroda

umum (C) di tengah-tengah lapisan bawah. Efek fotolistrik terjadi di persimpangan pn atas. Jarak antara

dua elektroda atas adalah D, dan perlawanan yang sesuai antara kedua elektroda R_D.

Mari kita berasumsi bahwa kejadian balok menyerang permukaan pada x jarak dari elektroda A.

Kemudian, resistansi yang sesuai antara yang elektroda dan titik kejadian adalah, masing-masing, R_X.

Para I_0 saat fotolistrik diproduksi oleh balok sebanding dengan intensitasnya. Arus yang akan mengalir

ke kedua output (A dan B) dari sensor dalam proporsi yang sesuai dengan resistensi dan, karena itu,

untuk jarak antara titik kejadian dan elektroda

=

(7.9)



Jika perlawanan versus jarak adalah linear, mereka bisa diganti dengan jarak masing-masing di

permukaan

=

(7.10)

Untuk menghilangkan ketergantungan dari arus fotolistrik (dan intensitas cahaya), kita dapat

menggunakan teknik ratiometric, yaitu kita mengambil rasio dari arus

P =

= , (7.11)

mana kita dapat menulis ulang untuk nilai dari x:

x =

(7.12)

Gambar 7.38 menunjukkan hubungan geometris antara berbagai jarak dalam sistem pengukuran.Pemecahan dua segitiga untuk L0 hasil

= f (7.13)

dimana f adalah jarak fokus lensa penerima. Mengganti (7.12) ke (7.13), kita sampai pada jarak dalam

hal rasio lancar

( ) ( ) (7.14)

di mana k disebut konstan geometris modul ini. Oleh karena itu, jarak dari modul ke objek linearmempengaruhi rasio dari arus output PSD.Suatu prinsip operasi serupa diimplementasikan dalam sebuah sensor perpindahan industri optik

(Gambar 7.40a) di mana PSD digunakan untuk pengukuran perpindahan kecil pada jarak operasi

dari beberapa sentimeter. Sensor optik tersebut sangat efisien untuk on-line pengukuranketinggian perangkat (PC-board inspeksi, cair dan padatan kontrol tingkat, laser obor kontrol

tinggi, dll), untuk pengukuran eksentrisitas ketebalan, objek berputar dan presisi perpindahan

pengukuran, dan deteksi ada tidaknya objek (obat tutup botol), dll.



Unsur-unsur PSD diproduksi dari dua jenis dasar: satu dan dua dimensi (Gambar 7.40b). Rangkaian

setara keduanya ditunjukkan pada Gambar. 7,41. Karena rangkaian ekuivalen memiliki kapasitansi

terdistribusi dan resistensi, konstanta waktu PSD bervariasi tergantung pada posisi titik cahaya.

Menanggapi fungsi langkah input, PSD area kecil memiliki waktu naik di kisaran 1-2 ms. Respon spektral

adalah sekitar dari 320 untuk 1.100 nm, yaitu, PSD mencakup rentang UV, tampak, dan dekat spektral

inframerah. Kecil daerah satu dimensi PSDS memiliki permukaan sensitif mulai dari 1_2 untuk 1_12 mm,

sedangkan area yang luas dua dimensi sensor memiliki luas persegi dengan sisi berkisar antara 4 sampai

27 mm.

7,5 Ultrasonic Sensor

Untuk pengukuran jarak noncontact, sebuah sensor aktif yang mengirimkan semacam sinyal pilot dan

menerima sinyal tercermin dari objek dapat dirancang. Energi yang dikirimkan bisa dalam bentuk radiasi

apa pun, misalnya, elektromagnetik dalam kisaran optik (seperti dalam PSD yang digambarkan di atas),

elektromagnetik dalam jangkauan gelombang mikro, akustik, dll Transmisi dan penerimaan energi



ultrasonik merupakan dasar untuk sangat populer kisaran meter ultrasonik, dan detektor kecepatan.

Gelombang ultrasonik adalah gelombang akustik mekanis meliputi rentang frekuensi baik di luar

kemampuan telinga manusia, yaitu lebih dari 20 kHz. Namun, frekuensi ini mungkin sangat perseptif

oleh hewan yang lebih kecil, seperti anjing, kucing, tikus, dan serangga. Memang, detektor ultrasonik

adalah perangkat mulai biologis untuk kelelawar dan lumba-lumba.

Ketika gelombang adalah kejadian pada objek, bagian dari energi mereka tercermin. Dalam banyak

kasus praktis, energi ultrasonik tercermin secara difus. Artinya, terlepas dari arah mana energi berasal

dari, itu tercermin hampir seragam dalam sudut ruang yang luas, yang dapat mendekati 180_. Jika suatu

benda bergerak, frekuensi panjang gelombang yang dipantulkan akan berbeda dari gelombang yang

ditransmisikan. Ini disebut efek Doppler.

Jarak L0 ke objek dapat dihitung melalui v kecepatan gelombang ultrasonik di media, dan sudut, θ

(Gambar 7.42a)

, (7.15)

dimana t adalah waktu bagi gelombang ultrasonik untuk melakukan perjalanan ke objek dan kembali ke

penerima (sehingga penyebut 2). Jika pemancar dan penerima ditempatkan dekat satu sama lain

dibandingkan dengan jarak ke objek, maka Cos θ ≈ 1.

7.5 Ultrasonic Sensors Ultrasonic sensors

Gelombang ultrasonik memiliki keuntungan jelas atas gelombang mikro: mereka menyebarkan dengan

kecepatan suara, yang jauh lebih lambat dari kecepatan cahaya pada gelombang mikro merambat apa.

Dengan demikian, waktu t adalah lebih lama dan pengukurannya dapat dilakukan lebih mudah dan lebih

murah.

Untuk menghasilkan satu pun gelombang mekanis, termasuk ultrasonik, gerakan permukaan diperlukan.

Gerakan ini menciptakan kompresi dan ekspansi media, yang dapat menjadi gas (udara), cairan, atau

padatan. Jenis yang paling umum dari alat eksitasi, yang dapat menghasilkan gerakan permukaan di

kisaran ultrasonik, adalah operasi transduser piezoelektrik dalam modus bermotor yang disebut.



Namanya bahwa perangkat piezoelektrik langsung mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Gambar 7.43a menunjukkan bahwa tegangan input diterapkan pada elemen keramik menyebabkan

untuk melenturkan dan mengirimkan gelombang ultrasonik. Karena piezoelektrik adalah fenomena

reversibel, keramik menghasilkan tegangan ketika gelombang ultrasonik masuk melenturkan itu. Dengan

kata lain, unsur ini dapat bekerja baik sebagai pemancar dan penerima sonik (mikrofon). Frekuensi

operasi khas dari elemen piezoelektrik transmisi sudah dekat 32 kHz. Untuk efisiensi yang lebih baik,

frekuensi dari osilator mengemudi harus disesuaikan dengan frekuensi fr resonansi dari keramik

piezoelektrik (Fig.7.42b) dimana sensitivitas dan efisiensi dari elemen adalah yang terbaik. Ketika

rangkaian pengukuran beroperasi dalam modus berdenyut, elemen piezoelektrik yang sama digunakan

untuk kedua transmisi dan penerimaan. Ketika sistem membutuhkan terus transmisi gelombang

ultrasonik, elemen piezoelektrik terpisah bekerja untuk pemancar dan penerima. Sebuah desain khas

sensor udara-operasi ditunjukkan pada Gambar. 7.43b dan 7.44a. Diagram arah sensitivitas (Gambar

7.44b) adalah penting untuk aplikasi tertentu. Semakin sempit diagram, transduser lebih sensitif.



7,6 Radar Sensor

7.6.1 microPower Impulse Radar

Pada tahun 1993, Lawrence Livermore National Laboratory di Amerika Serikat mengembangkan radar

microPower impuls (MIR), yang merupakan biaya-rendah noncontact sensor mulai. Prinsip operasi dari

MIR fundamental adalah sama dengan sistem pulsa radar konvensional, namun dengan beberapa

perbedaan yang signifikan. Para MIR (Gambar 7.45) terdiri dari generator kebisingan putih yang memicu

sinyal output generator pulsa. Generator pulsa menghasilkan pulsa sangat pendek dengan tingkat rata-

rata 2 MHz _ 20%. Setiap pulsa memiliki t jangka waktu yang tetap singkat, sementara pengulangan

pulsa ini adalah acak, menurut memicu oleh generator kebisingan. Pulsa diberi jarak secara acak

terhadap satu sama lain dalam pola kebisingan seperti Gaussian. Jarak antara pulsa berkisar 200-625 ns.

Dapat dikatakan bahwa pulsa memiliki modulasi pulsa-posisi (PPM) oleh white noise dengan indeks

maksimum 20%. Pada gilirannya, pulsa gelombang persegi menyebabkan modulasi amplitudo (AM) dari

sebuah pemancar radio.

7.6 Radar Sensors

Modulasi ini memiliki kedalaman 100%, yaitu, pemancar dihidupkan dan dimatikan oleh pulsa. Seperti

modulasi double-langkah ini disebut PPM-AM.

Pemancar radio menghasilkan ledakan singkat tinggi frekuensi radio packest, yang merambat dari

antena pemancar ke ruang sekitarnya. Gelombang elektromagnetik mencerminkan dari objek dan

menyebarkan kembali ke radar. Generator pulsa yang sama, yang memodulasi pemancar, dengan

gerbang keterlambatan yang telah ditentukan penerima radio untuk memungkinkan penerimaan oleh

MIR hanya selama jendela waktu tertentu ketika gelombang tercermin diharapkan tiba. Alasan lain

untuk gating penerima adalah untuk mengurangi konsumsi daya. Pulsa tercermin diterima,

didemodulasi (bentuk persegi-gelombang dipulihkan dari sinyal radio-), dan waktu tunda sehubungan

dengan pulsa ditransmisikan diukur, seperti di radar konvensional. Waktu tunda yang sebanding dengan

jarak D dari antena ke objek dari mana gelombang radio dipantulkan : : , dimana c adalah

kecepatan cahaya.



Frekuensi pembawa (frekuensi tengah) dari radiotransmitter ini baik 1,95 atau 6,5 GHz. Karena pulsa

modulasi sangat pendek, bandwidth perkiraan dari sinyal terpancar sangat luas - sekitar 500 MHz (untuk

pembawa 1,95 GHz). Distribusi spasial dari energi yang ditransmisikan ditentukan oleh jenis antena.

Untuk antena dipole mencakup hampir , tetapi dapat dibentuk dengan pola yang diinginkan

dengan menggunakan sebuah tanduk, reflektor, atau lensa. Karena pola modulasi terduga,

bandwidth lebar dan kepadatan spektral rendah dari sinyal yang ditransmisikan, sistem MIR

cukup kebal terhadap penanggulangan dan hampir adalah tersembunyi - energi yang terpancar

dirasakan oleh penerima nonsynchronous sebagai kebisingan termal putih.

Siklus rata-rata dari pulsa yang ditransmisikan adalah kecil (<1%). Karena pulsa diberi jarak

secara acak, praktis sejumlah sistem MIR identik dapat beroperasi dalam ruang yang sama tanpa

pembagian frekuensi (yaitu, mereka bekerja pada frekuensi pembawa yang sama dalam

bandwidth yang sama). Ada sedikit kemungkinan bahwa semburan dari pemancar mengganggu

tumpang tindih, dan jika mereka melakukannya, tingkat gangguan sudah berkurang dengan

sirkuit rata-rata. Hampir 10.000 pulsa yang diterima rata-rata sebelum waktu tunda diukur.

Keuntungan lain dari MIR adalah biaya rendah dan sangat rendah konsumsi daya dari radiopenerima - sekitar 12 μW. Konsumsi daya total sistem MIR seluruh hampir 50 μW. Dua baterai

AA alkalin mungkin kekuatan secara kontinyu selama beberapa tahun.

Aplikasi untuk MIR meliputi meter jangkauan, alarm intrusi, detektor level, perangkat kendaraan mulai,

sistem otomatisasi, robotika, peralatan medis, senjata, produk baru, dan bahkan mainan mana rentang

yang relatif singkat deteksi diperlukan (Gambar 7.46).

7.6.2 Tanah Radar Penetrating

Teknik sipil, arkeologi, ilmu forensik hanya beberapa contoh dari banyak aplikasi dari radar

frekuensi tinggi penembus tanah (GPR). Operasi radar agak klasik: mentransmisikan gelombangradio dan menerima sinyal tercermin. Waktu tunda antara sinyal dikirim dan diterima adalah

ukuran jarak dengan refleksi permukaan. Sementara radar yang beroperasi di udara dan ruang

memiliki rentang yang dapat mencapai ribuan kilometer, jangkauan GPR di terbaik hanya



beberapa ratus meter. Sebuah GPR praktis beroperasi pada frekuensi dari 500 MHz sampai 1,5

GHz (www.sensoft.ca). Gelombang radio tidak menembus jauh melalui tanah, batu, dan palingbuatan manusia bahan seperti beton. Koefisien atenuasi eksponensial, a, terutama ditentukan oleh

konduktivitas listrik material. Dalam bahan seragam sederhana, ini biasanya merupakan faktor

yang dominan. Dalam bahan yang paling, energi juga hilang untuk hamburan dari variabilitas

bahan dan isi air. Air memiliki dua dampak: pertama, air mengandung ion, yang berkontribusiterhadap konduktivitas massal. Kedua, sebuah molekul air menyerap energi elektromagnetik

pada frekuensi tinggi biasanya di atas 1 GHz. Gambar 7.47 menunjukkan bahwa redaman

bervariasi dengan frekuensi eksitasi dan material. Dengan demikian, jarak maksimum praktismeningkat untuk bahan kering (Gambar 7.48a). Contoh dari data yang disajikan pada monitor

radar ditunjukkan pada Gambar. 7.48b.

Menurunkan frekuensi meningkatkan kedalaman eksplorasi karena pelemahan terutamameningkat dengan frekuensi. Sebagai penurunan frekuensi, namun, dua aspek mendasar lain dari

pengukuran GPR ikut bermain. Pertama, mengurangi frekuensi hasil pada hilangnya resolusi.

Kedua, jika frekuensi terlalu rendah, medan elektromagnetik tidak ada perjalanan lagi sebagai

gelombang tapi menyebar, yang merupakan ranah EM induktif atau pengukuran arus eddy.



7.7 Thickness and Level Sensors

Dalam aplikasi industri, pengukuran ketebalan material sangat penting untuk manufaktur, proses dan

kontrol kualitas, keamanan, udara, dll Metode pengukuran ketebalan berkisar antara optik untuk

ultrasonik untuk sinar-X. Di sini kita meninjau secara singkat beberapa metode yang kurang dikenal.



7.7.1 Sensor Ablation

Ablasi adalah disipasi panas dengan pelelehan dan penghapusan lapisan pelindung korban pesawat

ruang angkasa selama atmosfer masuk kembali. Aerospace kendaraan mengalami pemanasan

aerodinamis signifikan sering mengandalkan terablasi sistem perlindungan termal (TPS) untuk menjaga

struktur internal dan peralatan bawah suhu operasi yang kritis. Sebuah TPS terablasi mengalami

dekomposisi kimia atau perubahan fasa (atau keduanya) di bawah temperatur kritis struktur internal.

Insiden energi panas ini kemudian disalurkan ke mencair, subliming, atau membusuk Ablator tersebut.

Ablator tingkat resesi berbanding lurus dengan fluks panas termal pada permukaan. Ukuran ketebalan

Ablator diperlukan untuk memperkirakan fluks permukaan panas. Jadi sensor ablasi adalah jenis sensor

yang mendeteksi posisi posisi permukaan luar lapisan ablasi dan memberikan ukuran ketebalan yang

tersisa. Sensor ablasi dapat dibangun ke dalam lapisan ablasi (sensor intrusif) atau menjadi non-invasif.

Sensor mengganggu termasuk pengukur break-kawat ablasi, transduser radiasi (RAT) sensor, dan pipa

cahaya. Pengukur ablasi istirahat-kawat terdiri dari kawat tipis beberapa ditanamkan pada tingkatdikenal berbagai Ablator sebuah. Sebagai bahan semakin mengikis, masing-masing kawat berturut rusak

dan hasil dalam sebuah sirkuit terbuka. Gambar 7.49a menggambarkan konsep ini. Dalam beberapa

kasus break-kawat berfungsi sebagai termokopel (TC) dan masing-masing terletak sehingga tidak ada

istirahat TC-kawat secara langsung di atas lain. Susunan ini memungkinkan jalur konduksi terhalang

melalui Ablator untuk setiap TC istirahat kawat, termasuk yang di tingkat bawah. Meskipun metoda

break-kawat menyediakan sejarah suhu waktu sampai TC terakhir terkena dan hancur, metode ini hanya

menyediakan data resesi pada titik yang berbeda sedikit.

Sensor pipa cahaya terdiri dari serat kuarsa ditanamkan dalam sebuah Ablator dan diakhiri pada

kedalaman dikenal (Gambar 7.49b). Ketika TPS surut ke tempat serat berakhir, cahaya mentransmisikan

ke photodiode. Metode ini menyediakan data resesi pada titik-titik yang berbeda saja dan tidak

memberikan data suhu, sebagai metode breakwire tidak. Sensor sepenuhnya non-invasif untuk

mengukur lapisan ablasi dapat membangun dengan menggunakan metode kapasitif. Sensor ini dibuat

dalam bentuk dua elektroda yang dapat memiliki berbagai bentuk. Sensor ditempatkan secara seri

dengan induktor dan resistor membentuk terminasi (RLC) resistif, induktif, dan kapasitif untuk

Waveguide (yaitu kabel koaksial).

7.7 Thickness and Level Sensors



Pengaturan ini ditunjukkan pada Gambar. 7,50 mirip dengan konfigurasi pemancar-antena. Penghentian

RLC memiliki frekuensi resonan bila didekati dengan :

√ (7.16)

Ketika energi elektromagnetik pada frekuensi resonansi diturunkan Waveguide, semua energi

menghilang dalam resistor. Namun, jika frekuensi resonansi perubahan terminasi (misalnya,

karena perubahan kapasitansi), sebagian kecil dari energi yang dipantulkan kembali ke

sumbernya. Sebagai kapasitansi terus berubah, energi yang dipantulkan meningkat. Antena yangbekerja seperti ini dikatakan tidak selaras. Dalam situasi ini, orang bisa menggunakan yang

tersedia secara komersial

koefisien refleksi jembatan (RCB) antara frekuensi radio (RF) sumber dan penghentianWaveguide. RCB ini menghasilkan tegangan DC sebanding dengan energi yang dipantulkan.Kemudian antena dapat disesuaikan sampai tegangan output jembatan adalah minimum dan

energi yang ditransmisikan adalah maksimal.



Gambar. 7,52 dielektrik Kering Film kapasitif sensor (a) dan bentuk fungsi transfer (b).

7.7.2 Sensor Film Tipis

Sensor untuk mengukur ketebalan berbagai film dari pengukur mekanis untuk optik

untuk elektromagnetik dan kapasitif. Metode optik terbatas pada film transparan atau semi transparan.

Elektroda planar yang meniru sebuah kapasitor pelat paralel menghasilkan output tinggi, namun, untuk

mereka akurat dan film sampel pasti hampir sempurna paralel, yang sering tidak praktis, terutama untuk

permukaan di mana film ini diposisikan pada kelengkungan atau bergerak. Dengan demikian, berbagai

jenis elektroda telah diusulkan.

Berikut adalah contoh dari sebuah sensor kapasitif sederhana yang dapat mengukur ketebalan film cair.Ketebalan film cair diukur melalui kapasitansi antara dua probe kawat kecil yang menonjol ke dalam

cairan (Gambar 7.51). Cairan tersebut bertindak sebagai dielektrik antara dua pelat kapasitor dengan

pelat menjadi dua probe kawat kecil. Sejak cair memiliki dielektrik yang berbeda konstan dari udara,

perubahan dalam hasil tingkat cair terhadap perubahan kapasitansi probe. Perubahan kapasitansi diukur

dengan memasukkan probe ke dalam satu sirkuit modulasi frekuensi. Frekuensi tetap adalah input ke

rangkaian, dan frekuensi output tergantung pada kapasitansi probe.

Tipe lain dari elektroda adalah bola yang diusulkan untuk sebuah film dielektrik kering. Kapasitansi



diukur antara bola logam (bola stainless steel yang memiliki diameter antara 3 dan 4 mm) dan basis

konduktif (Gambar 7.52). Untuk meminimalkan efek tepi, bola dikelilingi oleh perisai didorong yang

membantu dalam mengarahkan listrik diajukan hanya terhadap elektroda basis melalui film.

7.7.3 Sensor Cair

Ada banyak cara untuk mendeteksi tingkat cairan. Mereka termasuk penggunaan resistif (lihat Gambar.

7.1A), optik (lihat Gambar. 7.31), magnetik (lihat Gbr. 7.18), dan kapasitif (lihat Gbr. 3.8) sensor.

Pemilihan sensor tertentu tergantung pada banyak faktor, tetapi mungkin merupakan faktor yang

menentukan adalah jenis cairan. Salah satu yang paling menantang adalah gas-gas cair, khususnya

helium cair, yang memiliki kepadatan rendah dan rendah dielektrik konstan, tidak menyebutkan

penyimpanan dalam botol Dewar tertutup pada suhu kriogenik. Dalam kasus-kasus sulit seperti itu,

sebuah sensor garis transmisi mungkin cukup efisien. Sebuah sensor beroperasi pada prinsip yang sama

salah satu yang digambarkan di atas untuk penginderaan ablasi (Gambar 7.50). Untuk mendeteksi

tingkat cairan, sensor saluran transmisi dapat dibangun seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7,53.

Probe menyerupai tingkat sensor kapasitif ditunjukkan pada Gambar. 3.8 (Bab 3), namun, operasitersebut tidak bergantung pada dielektrik cair yang konstan seperti yang terjadi pada Gambar. 3.8.

Probe terlihat seperti tabung panjang dengan elektroda batin dikelilingi oleh elektroda silinder luar.

Probe direndam ke dalam cairan, yang dapat dengan bebas mengisi ruang antara elektroda. Elektroda

diberi makan dengan sinyal frekuensi tinggi (sekitar 10 MHz). Sebuah panjang probe dapat apapun

praktis, tetapi untuk respon linier disarankan untuk tetap kurang dari 1/4l. Sinyal frekuensi tinggi

merambat sepanjang saluran transmisi yang dibentuk oleh dua elektroda. Cairan tersebut mengisi ruang

antara elektroda sampai x tingkat tertentu.

Gambar. 7,53 Transmisi baris probe (a) dan fungsi transfer (b).

Karena konstanta dielektrik cair berbeda dari uap nya, sifat saluran transmisi tergantung pada posisi

batas antara cairan dan uap, dengan kata lain, pada tingkat cair. Sinyal frekuensi tinggi yang sebagian

tercermin dari garis perbatasan cair-uap dan menyebar kembali ke bagian atas sensor. Untuk tingkat



tertentu, menyerupai radar yang mengirimkan sinyal pilot dan menerima refleksi. Dengan mengukur

pergeseran fasa antara sinyal ditransmisikan dan tercermin, posisi batas dapat dihitung. Pengukuran

pergeseran fasa diselesaikan oleh komparator fase yang menghasilkan dc tegangan pada outputnya.

Sebuah konstanta dielektrik yang lebih tinggi menghasilkan refleksi yang lebih baik dan dengan demikian

sensitivitas sensor membaik sesuai (Gambar 7.53b).

7,8 Pointing Devices

7.8.1 Pointing Devices Optik

Pengembangan komputer pribadi disajikan kebutuhan selama sensor pergeseran yang disebut

perangkat penunjuk. Perangkat tersebut dikendalikan oleh tangan manusia, sehingga komputer

"mouse" diciptakan. Tujuan dari mouse (atau pelacakan bola) adalah untuk memindahkan pointer ke x-y

koordinat yang diinginkan pada monitor komputer. Sebuah sensor pada perangkat penunjuk harus

mendeteksi perpindahan dalam arah tertentu. Tikus yang pertama kali digunakan rol mekanik

digabungkan ke disk optik encoder [mirip dengan yang ditunjukkan pada Gambar. 7.37a] atauelektromagnetik pickup. Kemudian, Steve Kirsch diciptakan sebuah mouse optik yang diperlukan pad

reflektif khusus dengan grid koordinat. Tikus yang terbaru dan trackball mempekerjakan pickup optik

dengan pencahayaan oleh (atau inframerah) merah LED atau dioda laser.

Sebuah perangkat penunjuk optik berisi tiga komponen penting: iluminator, CMOS sensor

optoelektronik gambar, dan pemrosesan sinyal digital (DSP) chip (Gambar 7.54). Sensor gambar



optoelektronik mengambil gambar berurutan dari permukaan dimana mouse beroperasi, atau dari pola

permukaan pada bola berputar. Chip DSP membandingkan gambar berturut-turut. Perubahan antara

satu frame dan berikutnya diproses oleh bagian pemrosesan gambar dari chip dan diterjemahkan ke

dalam gerakan pada dua sumbu menggunakan algoritma estimasi arus optik. Sebagai contoh, Avago

Technologies ADNS-2610 sensor mouse optik memproses 1.512 frame per detik: setiap frame yang

terdiri dari array segi empat dari 18 _ 18 pixel, dan setiap pixel dapat merasakan 64 tingkat yang

berbeda-abu. Uang muka ini memungkinkan mouse untuk mendeteksi gerak relatif pada berbagai

permukaan, menerjemahkan gerakan mouse ke dalam gerakan kursor dan menghilangkan kebutuhan

untuk mouse pad khusus.

7.8.2 Magnetic Pickup

Sebuah sensor Hall dapat digunakan sebagai pickup dari penyimpangan magnetik membangun menjadi

bola. Contohnya adalah mouse dengan bola yang memiliki inti magnetik bagian dalam yang berisi

benjolan merata spasi atau depresi. Permukaan luar bola ditutupi dengan lapisan halus bukan magnetik

untuk kemudahan bergulir. Gundukan magnetik atau depresi membentuk penyimpangan dalam medanmagnet yang dijemput oleh dua x-y sensor Hall dan diterjemahkan ke dalam perpindahan mouse.

7.8.3 Inertial dan gyroscopic Tikus

Perangkat ini sering disebut "mouse udara" karena ini tidak memerlukan permukaan untuk beroperasi.

Ini adalah mouse inersia yang menggunakan accelerometer, misalnya, garpu tala untuk mendeteksi

gerakan untuk setiap sumbu didukung. Pengguna hanya membutuhkan rotasi pergelangan tangan kecil

untuk memindahkan kursor, mengurangi kelelahan pengguna.

Bab 7

Documents

Transcript of Bab 7