6

BAB II

TEORI DASAR DETEKSI JARAK MENGGUNAKAN INFRA

MERAH DAN ULTRASONIK

Berbagai jenis robot telah muncul, berbagai fungsi robot telah dibuat, baik robot

untuk kepentingan science seperti robot yang dikirim ke planet mars maupun

untuk kepentingan sosial seperti robot pemadam kebakaran dan sebagainya.

Teknologi sensor telah mempermudah ekspansi fungsi pembuatan robot ini,

karena fungsi robot langsung berkaitan dengan kemampuan sensingnya. Misalkan

robot pemadam api, haruslah memiliki sensor deteksi api atau panas, dan robot

kucing haruslah memiliki pola sensing dan perilaku seperti kucing. Secara umum,

setiap robot haruslah mempunyai kemampuan deteksi keadaan, pengolahan data

dari keadaan tersebut dan melakukan tindakan yang sesuai dengan keadaan yang

dibacanya. Misalnya robot navigasi, haruslah mempunyai kemampuan untuk

deteksi wilayah yang dilaluinya (pengukuran jarak antara robot dengan benda-

benda sekitar robot), kemampuan untuk memilih jalan yang terbaik secara

matematis dan tidak menjadi tersesat, dan tentu saja kemampuan untuk berjalan

dan bergerak sesuai yang diinginkan.

Robot yang kami rancang bersama adalah robot navigasi, yang tujuan

pembuatannya adalah untuk mencapai suatu titik tertentu yang diharapkan,

dimulai dari titik lain yang diketahui koordinat relatifnya terhadap titik tujuan,

dengan melewati rintangan-rintangan diantara 2 titik tersebut . Untuk keperluan

7

tersebut, dibutuhkan suatu kemampuan untuk deteksi rintangan, kemampuan

untuk analisis pola rintangan dan memilih jalur untuk robot itu sendiri,

kemampuan mengingat jalur yang sudah dilalui sambil tetap memperhitungkan

jarak dan arah ke tujuan, serta kemampuan untuk bergerak ke titik tujuan tersebut.

Ke 4 fungsi tersebut kemudian dikerjakan oleh anggota kelompok tugas akhir

robotik ini yang berjumlah 4 orang, dan masing-masing mendapat tugas 1 fungsi

dasar robot.

Gambar 2.1 Kinerja Robot

Bagian yang saya kerjakan adalah fungsi deteksi rintangan, yaitu membaca jarak

rintangan-rintangan yang ada di depan robot di kuadran I dan II koordinat

kartesius. Untuk deteksi ini, dibutuhkan suatu sistem pengukuran jarak oleh robot.

Sensor-sensor yang biasa digunakan untuk pengukuran jarak yaitu :

1. Sensor potensiometrik, sensor ini mengukur hambatan listrik yang sebanding

dengan panjang kawat. Sensor ini tidak bisa digunakan karena mengharuskan

adanya hubungan kawat konduktor dari robot ke setiap rintangan (obstacle)

dan membentuk loop tertutup dengan sistem deteksi pada robot.

8

2. Sensor kapasitif, mengukur kapasitansi yang berbanding terbalik dengan

jarak. Sensor ini juga tidak bisa digunakan untuk deteksi jarak obstacle

disebabkan selain harus ada plat elektroda di tiap obstacle, juga karena jarak

terlalu besar untuk menghasilkan kapasitansi yang dapat terukur.

3. Sensor LVDT dan eddy current, mengukur induktansi magnetik dari

penambahan inti besi di antara 2 induktor berhadapan. Sensor ini tidak juga

tidak bisa dipakai karena mengharuskan adanya inti besi yang menjangkau

tiap obstacle.

4. Sensor optik, mengukur jarak dengan membaca intensitas pantulan cahaya

terhadap bidang yang diukur jaraknya terhadap sensor. Kelemahan sensor ini

adalah jarak deteksi yang dekat, karena pengurangan intensitas sebanding

dengan kuadrat pertambahan jarak.

5. Sensor jarak menggunakan ultrasonik, mengukur jarak dengan menghitung

waktu pantul oleh bidang yang akan diukur jarak relatif terhadap sensornya,

dimulai dari saat sinyal ultrasonik ditransmisikan. Bersama dengan sensor

infra merah, sistem deteksi jarak dibuat secara bersama untuk pengukuran

jarak dekat dan jauh sekaligus.

9

2.1 Infra Merah

Gambar 2.2 Spektrum cahaya tampak (Encarta Encyclopedia, ©Microsoft Corporation, 2007)

Infra merah merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang

sekitar 700-900 nm yang sedikit lebih panjang dari cahaya warna merah sehingga

tidak mampu dilihat secara langsung oleh mata manusia (panjang gelombang

semakin memendek mulai dari warna merah hingga ke warna biru). Gelombang

elektromagnetik sendiri dikelompokkan berdasarkan frekuensi/panjang

gelombangnya sebagai : sinar gamma, sinar-x, ultra violet, selang sempit cahaya

tampak, infra merah, gelombang radar, serta gelombang tv dan radio. Sinar infra

merah sendiri secara natural dihasilkan melalui peristiwa black-body radiation

yang menjelaskan bahwa sinar infra merah akan lebih banyak dihasilkan oleh

benda yang lebih panas dibandingkan dengan benda yang lebih dingin. Atas

alasan tersebut, infra merah banyak digunakan dalam sistem deteksi kebakaran

serta sistem keamanan yang “melihat” keberadaan orang (makhluk hidup) dalam

suatu ruangan. Bentuk yang lebih advance dari sistem infra merah ini berupa

kamera infra merah yang dapat mengukur suhu suatu objek secara non-destructive

pada jarak yang cukup jauh dari objek, serta infrared spectroscopy untuk

mendeteksi unsur-unsur pembentuk suatu bahan.

10

Sebenarnya sinar infra merah itu sendiri dibagi menjadi 3 wilayah, wilayah

pertama yang biasa disebut sebagai near infrared region memiliki panjang

gelombang antara 700-2000 nm, wilayah kedua yaitu middle infrared region

memiliki panjang gelombang antara 2000-20000 nm, dan terakhir adalah far

infrared region yang memiliki panjang gelombang 20000-100000 nm. Sumber

infra merah sendiri terdiri dari 2 jenis, yaitu sumber termal dan sumber kuantum.

Sumber termal infra merah adalah dari semua benda dengan temperatur diatas 0 K

mutlak, yang energi/intensitasnya ditentukan melalui hukum Planck tentang

radiasi serta tergantung dari temperatur absolut objek tentunya. Persamaan Planck

untuk black body radiation ini yaitu :

1

12),(

5

2

−∗=

kT

hc

e

hcTL

λλλ

(2.1)

Dimana L(λ,T) adalah radiansi spektral (energi yang dihasilkan dari permukaan

bendahitam pada suatu satuan sudut radiasi per satuan waktu dan per satuan

panjang gelombang), dengan h adalah tetapan Planck, λ adalah panjang

gelombang, k merupakan konstanta Boltzmann, serta c merupakan kecepatan

cahaya di ruang vakum. Maksimum lokal spektrum radiasi ini tergantung pada

temperatur objek, yang pergeseran maksimum lokalnya terhadap temperatur

dijabarkan dalam hukum Wien, yang dapat diturunkan dari persamaan 1 di atas

dengan menurunkan dL/dλ =0 , sehingga dihasilkan :

)(2898

max mT

µλ = (2.2)

11

Gambar 2.3 Pergeseran Wien (Wikipedia)

Sebagai contoh, benda dengan suhu sekitar suhu ruangan 293 K (20°C) memiliki

intensitas radiasi maksimum pada panjang gelombang ≈ 10 µm.

Emitansi total (M(T)) yaitu energi yang dipancarkan oleh bendahitam pada suatu

ruang sferis pada suhu tertentu per satuan waktu sebesar :

4.)( TTM σ= (2.3)

dengan σ =5,67 .10-8 Wm-2K-4, yang dikenal sebagai tetapan Stefan-Boltzmann.

Secara umum, benda tidak hitam memancarkan energi emitansi lebih kecil dari

pada bendahitam, rasio emitansi antara kedua jenis benda ini disebut sebagai

emisifitas ε yang nilainya antara 0 hingga 1.

12

Pengukuran infra red secara termal akan menuntun kepada pengukuran suhu

benda atau untuk “melihat” benda bersuhu sangat tinggi seperti disinggung di

paragraf sebelumnya.

Sumber lain dari infra merah adalah sumber kuantum yang contohnya adalah LED

(Light Emitting Diode) infra merah dan laser. Intensitas infra merah yang

dihasilkan oleh sumber kuantum ini tidak tergantung pada suhu sumber, sehingga

tidak dapat digunakan untuk mendeteksi temperatur benda/objek. Pada LED, yang

merupakan salah satu sumber gelombang kuantum, panjang gelombang

elektromagnetik dihasilkan dari rekombinasi pasangan elektron-lubang pada

sambungan PN di dioda, yang lebih lengkapnya akan dibahas pada subbab

berikutnya beserta detektor infra merah.

Gambar 2.4 Absorpsi dan emisi foton (Encarta Encyclopedia, ©Microsoft Corporation, 2007)

13

2.1.1 Sumber Infra Merah dan Detektor Infra Merah

Sumber termal memiliki intensitas yang rendah pada suhu kamar, sehingga

pengukuran jarak menggunakan intensitas dari sumber ini akan sulit dilakukan,

oleh karena itu, dipilihlah sumber kuantum berupa LED infra merah yang dapat

menghasilkan intensitas cukup tinggi serta infra red phototransistor sebagai

detektornya.

2.1.1.1 LED infra merah

Gambar 2.5 LED infra merah (Fairchild Semiconductor)

LED merupakan dioda, yang memiliki karakteristik yang sama dengan dioda pada

umumnya yang hanya dapat dialiri arus pada arah tertentu saja, namun memiliki

kemampuan untuk memancarkan foton jika ada arus yang melaluinya.

Dioda terdiri dari sambungan PN (positif negatif) yang bekerja sebagai berikut :

14

Gambar 2.6 Cara kerja dioda ( Halliday-Resnick)

it ir

εF Pita Terlarang

Energi elektron

Daerah Deplesi

15

1. Gambar paling atas merupakan keadaan dioda tanpa beda potensial dari luar,

gambar di bawahnya menunjukkan pita energi dioda dalam keadaan tersebut.

Pada keadaan ini, sedikit elektron secara termal tereksitasi pada daerah p dan

terlempar ke daerah n hingga kehilangan energi karena tumbukan, pada saat

bersamaan, elektron yang berada di daerah-n yang memiliki cukup energi

untuk loncat ke daerah-p untuk berrekombinasi dengan hole di daerah-p. Arus

oleh eksitasi termal it besarnya hampir sama dengan arus rekombinasi ir

sehingga arus netto mendekati nol

2. Gambar ke-tiga merupakan dioda dengan sisi n dihubungkan dengan

potensial negatif, dan sisi p dihubungkan dengan potensial positif. Pada

keadaan ini, beda potensial dari luar menurunkan tingkat energi yang

dibutuhkan untuk elektron berekombinasi, sehingga ir membesar, kemudian

tercipta lubang-lubang baru yang diakibatkan oleh pemindahan elektron pada

ujung positif, sedangkan elektron terus ditambahkan di ujung negatif. Lubang

bermigrasi ke kanan ke daerah dekat sambungan sedangkan elektron ke arah

kiri di bawah pengaruh potensial yang dipasang. Elektron dan lubang

berekombinasi di daerah sekitar sambungan p-n. Keadaan ini disebut sebagai

panjar maju, dimana arus eksternal diperkenankan mengalir melalui dioda.

3. Gambar paling bawah merupakan keadaan ketika daerah-p dioda

dihubungkan ke potensial negatif sedangkan ujung n dihubungkan ke

potensial positif. Beda potensial yang diberikan akan menarik lubang ke

sebelah kiri, ke ujung positif, dan menarik elektron ke kanan ke ujung negatif,

sehingga terjadi daerah deplesi yang lebar. Pair generation di daerah

16

sambungan sedikit sekali terjadi oleh eksitasi termal. Keadaan ini disebut

sebagai panjar mundur. Tidak seperti pada panjar maju, yang mengalami

banyak rekombinasi, yang mengakibatkan pada keadaan ini tidak banyak

elektron yang bisa melintasi sambungan p-n sehingga keadaan ini tidak

banyak melewatkan arus.

LED memiliki karakteristik dimana saat terjadi rekombinasi antara elektron dan

lubang disertai dengan pemancaran foton. Panjang gelombang foton yang

dihasilkan tergantung pada semikonduktor yang digunakan untuk membuat dioda

(LED) tersebut, sedangkan intensitasnya tergantung pada jumlah rekombinasi

elektron-lubang yang terjadi. Untuk keperluan sumber infra merah,

semikonduktor yang digunakan pada sambungan p dan n di LED biasanya adalah

GaAs. Karakteristik fisis dari dioda diantaranya :

1. Tegangan siku, yaitu tegangan dimana elektron mulai dengan mudah

berekombinasi dengan lubang di daerah sambungan p-n. Besar tegangan ini

untuk dioda GaAs sekitar 0,7 volt, dibawah nilai ini, hanya sedikit sekali arus

yang bisa mengalir melalui dioda.

2. Non-linear. Dioda sedikit sekali mengalirkan arus jika beda potensial pada

panjar maju kurang dari 0,7 volt, namun di atas itu, nilai arus yang mengalir

meningkat dengan cepatnya.

3. Arus panjar maju maksimum, merupakan arus maksimum yang diijinkan

yang merupakan batas aman sebelum dioda terbakar karena panas karena

aliran arus pada sambungan p-n yang terlalu besar.

17

4. Tegangan maksimum panjar mundur, merupakan batas tegangan maksimum

panjar mundur dimana diatas nilai tegangan maksimum ini, dioda akan rusak

dikarenakan pelebaran tetap pada depletion layer.

5. Waktu naik dan waktu turun. Tidak semua dioda merespon dengan cepat

terhadap tegangan untuk mengalirkan arus pada panjar maju. Setelah dikenai

beda potensial secara panjar maju, setelah beberapa mikrosekon baru arus

yang melewati dioda akan maksimum, begitu pula saat beda potensial

dihilangkan, baru setelah beberapa mikrosekon tidak ada lagi arus yang

melewati sambungan p-n dari daerah-n ke daerah-p.

2.1.1.2 Fototransistor infra merah

Gambar 2.7 Fototransistor beserta simbolnya (Faichild Semiconductor)

Fototransistor sama dengan transistor NPN lainnya, hanya saja arus juga

dihasilkan oleh eksitasi termal pada daerah-p. Gambar di atas merupakan betuk

dan simbol untuk transistor npn, dengan E merupakan emitter yang terhubung ke

potensial negatif, C merupakan kolektor yang terhubung dengan potensial positif,

dan B merupakan basis, yang dihubungkan pada potensial positif yang lain.

Transistor bekerja dengan cara sebagai berikut.

18

1. Jika E dihubungkan dengan ujung negatif, maka E akan dipenuhi oleh

elektron bebas. Elektron bebas ini tidak akan berekombinasi dengan lubang di

B jika tidak memiliki cukup energi untuk meloncati sambungan p-n (B-E)

2. Jika C dihubungkan dengan ujung positif, elektron di C akan dikeluarkan

melalui ujung positif tersebut, sehingga terjadi pengosongan elektron di C.

3. Jika setelah itu, B dihubungkan pada suatu potensial sehingga beda potensial

antara B dan E cukup besar/diatas bukit potensial antara sambungan E dan B,

maka elektron bebas dari E akan mulai meloncati dinding dan berekombinasi

dengan lubang di B.

4. Elektron-elektron yang telah masuk ke B kemudian meloncati barrier

potential antara sambungan B dan C yang mengakibatkan aliran elektron dari

B ke C yang kemudian keluar pada ujung negatif pada C.

Dari proses diatas, jelaslah bahwa untuk mengalirkan elektron dari E ke C

dibutuhkan suatu beda potensial yang membuat depletion layer antara B dan E

menipis atau dengan kata lain, turunnya tingkat energi yang dibutuhkan agar

elektron dapat loncat dari E ke B. Aliran elektron dari E ke C ini menghasilkan

arus konvensional dari C ke E.

Fototransistor bekerja dengan cara mempertipis depletion layer antara B dan E

melalui proses pair generation pada semikonduktor di base yang disebabkan oleh

radiasi cahaya yang masuk ke B. Sebelum menerima cahaya, lubang di B

berjumlah sedikit, sehingga sedikit sekali rekombinasi elektron-lubang pada daerah

19

sambungan B-E. Jika cahaya dengan panjang gelombang yang bersesuaian

menumbuk elektron pada atom-atom di B, akan terjadi pair production, yang

menyebabkan lubang di B bertambah, sementara itu elektron dari pair production

segera loncat ke C. Akibat dari bertambahnya jumlah lubang di B, depletion layer

antara B dan E menyempit, sehingga elektron dapat segera berekomendasi dengan

lubang di daerah sambungan B-E, dan kemudian elektron dilepaskan kembali

menuju C. Jumlah lubang yang terbentuk pada pair-production karena penyinaran

di B mempengaruhi jumlah elektron yang dapat dilewatkan dari E ke B, sehingga

semakin tinggi intensitas cahaya yang diterima, semakin banyak elektron yang

bisa mengalir dari E ke B ke C.

Panjang gelombang cahaya yang menjadi karakteristik dari fototransistor

ditentukan oleh bahan yang digunakan dalam pembuatan transistor, karena hanya

cahaya pada panjang gelombang yang bersesuaian dengan energi ikat elektron

pada atom yang dapat mengeksitasi elektron tersebut dari lintasannya menuju pita

konduksi.

Seperti halnya dioda, transistor juga memiliki karakteristik fisik sebagai berikut :

1. Tegangan maksimum CE, yang merupakan batas maksimum tegangan antara

C dan E yang masih dapat menjaga elektron di E selama belum ada beda

potensial BE. Di atas tegangan ini, elektron dapat langsung loncat dari E ke B

lalu ke C tanpa tgangan BE, karena dinding potensial telah turun begitu jauh

oleh beda potensial yang diberikan pada CE.

20

2. Tegangan maksimum BE. Sama halnya dengan dioda, sambungan BE juga

merupakan dioda, yang memiliki tegangan panjar maju maksimum.

3. Tegangan maksimum CB, yaitu nilai dimana nilai di atas nilai ini akan

menyebabkan sumber elektron untuk C bukanlah dari E, melainkan dari B,

sehingga dapat merusak junction antara B dan C. (tegangan panjar mundur

maksimum)

21

2.1.2 Deteksi Jarak Menggunakan Transmitter dan Receiver Infra Merah

Tidak seperti ultrasonik yang mengukur jarak benda mengandalkan waktu tempuh

dari transmiter ke objek dan dipantulkan kembali ke receiver, deteksi infra merah

tidak bisa menggunakan waktu, karena kecepatan cahaya yang hampir tidak

mungkin untuk diukur oleh instrumen yang ada saat ini. Oleh karena itu,

kebanyakan penelitian mendasarkan pengukuran infra merah pada intensitasnya,

dengan sebagian kecil memanfaatkan pergeseran fasa untuk spektroskopi kristal.

Prinsip mendasar pengukuran intensitas infra merah ini kemudian saya

manfaatkan untuk memperkirakan jarak suatu objek didepan sistem pemancar dan

penerima infra merah. Asumsi awal untuk sistem ini yaitu bahwa tidak semua

gelombang infra merah yang dipancarkan dari pemencar diserap oleh objek.

Secara lengkap, prinsip kerja dari sistem yang saya buat yaitu :

1. LED infra merah memancarkan sinar infra merah dengan intensitas yang

konstan dan lebih tinggi daripada intensitas maksimum infra merah yang

mungkin dimiliki oleh suatu ruangan ke arah depan sistem deteksi. Intensitas

konstan ini dihasilkan dengan memberikan tegangan konstan pada IR LED.

2. Jika sinar infra merah yang dipancarkan bertemu suatu objek di depan

detektor, sebagian dari intensitasnya akan diserap oleh objek dan sebagian

lagi dipantulkan kembali menuju detektor infra merah. Semakin jauh benda

terhadap sumber infra merah, maka daya yang diterima benda akan berkurang

sesuai dengan kuadrat jarak tersebut.

3. Nilai intensitas yang dipantulkan kembali oleh objek kemudian disimpan di

dalam memori mikrokontroller. Selanjutnya detektor membaca intensitas

22

ambien dengan menerima infra merah dari lingkungan saja, LED infra merah

dimatikan.

4. Karena intensitas pantulan yang dibaca oleh detektor saat menerima sinar

pantul dari objek merupakan somasi antara infra merah ruangan dan infra

merah pantulan mutlak dari LED, maka dengan menghitung selisih antara

pengukuran pertama dengan kedua, kita dapatkan intensitas mutlak hasil

pantulan dari objek terhadap infra merah yang dipancarkan LED.

5. Persamaan berikut dapat digunakan untuk menentukan jarak yang terukur.

1

0

I

IkR ∗≈

(2.4)

Dengan R menunjukkan jarak terukur, I0 merupakan intensitas maksimum

yang dipancarkan sumber, dan I1 merupakan intensitas mutlak hasil pantulan

infra merah dari led oleh benda, nilai k ditentukan setelah melalui kalibrasi,

yang ditentukan kemudian setelah alat siap diuji coba.

6. Karena detektor memiliki batas kemampuan mengukur intensitas maksimum,

maka perlu ditentukan juga jarak minimum yang masih bisa dianggap valid

untuk pengukuran menggunakan metoda ini, yang akan disesuaikan dengan

data hubungan intensitas dan tegangan dari detektor secara nyata.

Berdasarkan prinsip kerja yang dipaparkan di atas, maka sistem yang dirancang

terdiri dari : pemancar infra merah dengan intensitas cukup kuat, detektor infra

merah yang memiliki sensitifitas yang sesuai untuk digunakan di tempat gelap

maupun cukup terang, analog to digital converter yang merubah nilai tegangan

23

dari detektor untuk diolah dalam mikrokontroller, mikrokontrollernya itu sendiri,

sistem display, serta tentu sumber tegangan yang stabil.

2.2 Sensor Ultrasonik

Gelombang bunyi adalah getaran dari partikel zat padat, zat cair atau juga gas

yang dilalui bunyi. Partikel-partikel tersebut bergetar disekitar titik setimbangnya

sehingga ikut menggetarkan partikel-partikel tetangganya. Aliran energi ini adalah

radiasi dari sumber bunyi berupa gelombang bunyi.

Gelombang bunyi merupakan bentuk energi mekanik yang hanya dapat ada di

dalam medium, tidak bisa di dalam vakum. Pada dasarnya, ada dua syarat untuk

membentuk getaran : harus ada yang bergetar dan harus ada gaya yang selalu

membuat yang bergetar itu kembali ke posisinya semula. Dengan kata lain,

haruslah ada massa dan elastisitas, seperti beban yang digantung pada pegas yang

terikat ujung atasnya pada dinding.

Gambar 2.8 Osilasi pegas (Wikipedia)

24

Konfigurasi seperti di atas dapat menghasilkan getaran pada benda w dengan

lintasan A-B-A-C-A-dst. Frekuensi getaran ini ditentukan oleh massa benda dan

koefisien pegas yang digunakan, melalui persamaan :

m

kf

m

kf

m

k

ππω

2

1;.2; ===

(2.5-7)

Kekuatan gelombang ditunjukkan oleh jarak antara titik puncak gelombang

dengan titik seimbangnya yang disebut sebagai amplitudo.

Hal yang sama juga terjadi pada alat musik akustik seperti gitar. Frekuensi gitar

ditentukan oleh tegangan senar (diatur oleh penegang senar dan oleh posisi tekan

oleh jari) yang analogi dengan koefisien pegas dan oleh ukuran (massa jenis)

senar. 2 senar dengan tegangan tali yang sama namun masing-masing memiliki

massa jenis berbeda akan memiliki frekuensi natural yang berbeda, senar yang

lebih ringan memiliki frekuensi yang lebih tinggi dari senar yang berat. Kekuatan

bunyi yang dihasilkan akan sesuai dengan kekuatan kita memetik gitar yang

menghasilkan amplitudo getaran maksimum dari gitar tersebut. Namun, senar

teregang saja tidak cukup untuk menghasilkan bunyi yang keras, untuk itu

dibuatlah bodi gitar untuk menguatkan bunyi yang dihasilkan dari senar gitar.

Dengan dasar yang sama, sensor ultrasonik dibuat.

Tidak semua getaran mekanik dapat didengar oleh manusia. Manusia dapat

mendengar hanya pada range frekuensi yang sempit, antara 16 getaran per detik

(16 Hz) hingga 20000 getaran per detik saja. Wilayah tersebut disebut wilayah

25

audibel. Getaran dengan frekuensi di bawah 20 Hz, disebut sebagai wilayah

subsonic, dan bunyi dengan getaran di atas 20 KHz disebut sebagai wilayah

ultrasonik.

Gambar 2.9 Spektrum akustik (Wikipedia)

Sensor ultrasonik kemudian dirancang agar dapat menghasilkan frekuensi getar di

wilayah ultrasonik. Secara umum, sensor ultrasonik ini dibuat untuk frekuensi

antara 20-50 kHz. Untuk membangkitkan getaran tersebut, digunakan material

yang bergetar jika diberi tegangan listrik, yaitu bahan piezoelectric. Bahan

piezoelektrik ini hanya mengalamai perubahan yang singkat saat diberi tegangan,

oleh karena itu, tegangan yang digunakan tidak boleh tegangan DC. Bahan ini

harus secara kontinu menghasilkan getaran dengan frekuensi tetap, sehingga arus

AC dengan frekuensi sesuai dengan frekuensi ultrasonik yang diinginkan harus

dibangkitkan untuk sensor ini.

Salah satu pembuat sensor ultrasonik adalah perusahaan Nippon Ceramic Co.,

Ltd. (NICCERA) dari Jepang. Perusahaan ini menggunakan bahan yang disebut

sebagai piezoceramic sebagai bahan utama sensornya.

26

Gambar 2.10 Penampang samping sensor ultrasonik dari NICCERA

(NICCERA, Co. Ltd)

Prinsip kerja dari sensor ini : Jika diberi tegangan AC dengan frekuensi yang

sesuai, elemen piezoelektrik terpolarisasi dari sensor secara mekanik akan

terdistorsi sebanding dengan voltase yang digunakan dan membangkitkan medan

bunyi. Sebaliknya, jika elemen ini dikenakan pada suatu medan bunyi, akan

menghasilkan tegangan yang sebanding dengan intensitas bunyi yang diterima dan

dengan frekuensi sama dengan frekuensi bunyi yang diterima.

Gambar 2.11 Prinsip kerja sensor ultrasonik (NICCERA Co. Ltd)

Efek diatas dapat di sempurnakan dengan menempelkan elemen tersebut pada

diafragma logam yang dikenal sebagai struktur unimorf. Fungsi dari diafragma ini

27

adalah sebagai pembentuk frekuensi natural dari gabungan elemen dan logam,

sehingga dapat beresonansi pada frekuensi yang sesuai. Jika tegangan sinyal

dikenai pada logam ini, akan menghasilkan tegangan lengkung, membentuk

getaran melengkung seperti gambar di atas. Jika frekuensi listrik yang dikenakan

beresonansi dengan vibrator logam ini, maka akan menghasilkan getaran bunyi

paling efektif dan efisien, sifat ini digunakan untuk transmitter. Jika getaran bunyi

yang diterima beresonansi dengan vibrator ini, maka logam getar lengkung ini

akan menghasilkan tegangan listrik paling efektif san efisien, sifat ini digunakan

untuk receiver.

Penyempurnaan dari sensor sederhana ini adalah dengan menambahkan kerucut di

atas logam getar lengkung dan pengemasan yang sesuai sehingga dapat berfungsi

sebagai penguat sinyal (seperti halnya badan kayu pada gitar). Penutup tabung

juga disesuaikan dengan frekuensi yang akan dibangkitkan, untuk mengurangi

pembentukan atau penangkapan noise akibat resonansi dengan partikel debu di

udara. Perusahaan Nippon Ceramic ini memproduksi beberapa jenis umum sensor

ultrasonik.

Gelombang yang dihasilkan bersifat menyebar, tidak seperti infra red atau laser.

Area deteksinya pun adalah daerah kerucut, sehingga jika daerah pantul berbentuk

cekung, akan menyulitkan bagi kita untuk mengetahui, apakah nilai waktu pantul

yang terdetksi adalah hasil pantul dari bidang yang tepat di depan, ataukah dari

bidang yang membentuk sudut cukup besar dari bidang tepat di depan. Namun

28

demikian, sensor ini memiliki karakteristik intensitas yang membantu mengurangi

kesalahan dan kesulitan tadi. Pola intensitas dan pola radiasi dari sensor ini :

Gambar 2.12 Pola intensitas radiasi dari sensor ultrasonik (Iwan

Setiawan, FT-UNDIP)

Tampak dari gambar tersebut, bahwa wilayah deteksi optimal hanya pada daerah

< 30° di depan sensor. Agar pengukuran cukup akurat, maka jarak maksimum

deteksi harus dibatasi, agar sinyal pantul memiliki intensitas yang masih lebih

besar dari sinyal pantul dari dinding di daerah > 30° di depan sensor, untuk itu,

dibutuhkan rangkaian komparator untuk menahan sinyal samping dan untuk

membatasi daerah deteksi.

Untuk pengukuran lebih lanjut, pola intensitas radiasi ini dapat dimanfaatkan

untuk pemetaan wilayah secara utuh dengan menggunakan banyak sensor

ultrasonik dan mengukur probabilitas intensitas pantul sebagai fungsi dari jarak

dan sudut sehingga didapat citra 3 dimensi dari daerah yang dipetakan. Untuk

proyek tugas akhir saya, karena hanya menggunakan sepasang transmitter-

receiver saja, pengukuran yang dilakukan adalah pengukuran linear langsung dari

objek yang tepat di depan sensor tanpa menggunakan olah probabilitas.