Industrial Sensors

1. Sensors dan Transduser

Transduser adalah alat yang mengubah enrgi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Transduser dibagi dua yaitu Transduser input dan Transduser output. Transduser Input megubah energi nonlistrik menjadi enrggi listrik sedang transduser output adalah sebaliknya.Sensor adalah piranti yang yang digunakan untuk mendeteksi dan sering berfungsi mengukur besaran sesuatu. Sensor adalah jenis transduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis , magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi besaran listrik seperti tegangan dan arus.

Terminologi/Defenisi dalam sensor:

Akurasi – kesesuaian antara nilai pengukuran dengan nilai sebenarnyaResolusi – tanggap (respon) yang diberikan sensor terhadap perubahan dalam variable pengukuranRepeatability – varia dari pengukuran sensor untuk kuantitas yang sama diukur berulang-ulangRange (Jankauan) – batas atas dan bawah variabel yang dapat diukur.Sensor passif – tidak memerlukan sumber daya luar untuk konversi suatu suatu bentuk ke bentuk besaran lain. Contoh: photovoltaic (solar cell), piezoelectric, thermoelectric, electromagnit dllSensor aktif – memerlukan sumber daya luar dalam proses konversi. Contoh: variable resistance, hall-effeck, optoelectric, variable reactance dll

2. Jenis-jenis sensor:

Proxymity (kedekatan): mechanical, optical, inductive/capasitive dll

Position/Velocity (Posisi/kecepatan): potensiometer, LVDT, encoder, tachogenerator, magnetic dll

Force/Pressure (gay/tekanan): load cell, torque sensor

Vibration : microphone

Strain gage

2.1 Proximity Sensors

• Digunakan secara luas dalam otomasi fabric/industri – Conveyor lines (counting,jam detection, etc)– Machine tools (safety interlock, sequencing)

• Biasanya sebagai sensor digital (on/off) dalam mendeteksi ada tidak suatu objek • Terdiri dari:

– Bagian kepala sensor (Sensor head): optical, inductive, capacitive– Rangkaian detector

1

– Penguat (Amplifier)– Rangkaian Output: TTL, solid state relay

2.1.1 Mechanical Proximity Switches

• Sesungguhnya berupa switch mekanik• Operasi On/off • Dua mode operasi

– Normally Open (NO)– Normally Closed (NC)

Contoh Mechanical Proximity Switches

Kapan digunakan Mechanical Proximity Switches?

2

• Ketika kontak secara fisik dimungkinkan• Jika suatu posisi yang pasti diperlukan• Dalam stituasi operasi dan keamanan merupakan hal yang kritis • Jika kondisi lingkungan tidak memungkinkan penggunaan sonsor optikal atau sensor induktif

Aplikasi dan penggunaan Mechanical Proximity Switches

• Mudah di integrasi ke berbagai jenis mesin • Range tegangan : DC 0-1000V, AC, dll.• Kemasan sangat kuat (robust)• Biasanyan digunakan sebagai:

– Limit switch– Indikator ada/tidak (Presence/absence indicator)– Pintu tertutup/terbuka (closed/open)

2.1.2 Optical Proximity Sensors

• Terdiri darai sumber cahaya (LED) dan detector cahaya (phototransistor)• Modulasi sinyal untuk meminimalkan pengaruh kondisi cahaya lingkungan • Berbagai model: 12-30V DC, 24-240V AC, power• Output: TTL 5V, Solid-state relay, dll.

Mode Operasional • Through Beam:

– Long range (20m)– Alignment is critical !

• Retro-reflective– Range 1-3m– Popular and cheap

• Diffuse-reflective– Range 12-300mm– Cheap and easy to use

Contoh Optical Proximity 3

Sifat penggunaan Optical Proximity Sensor

• Tidak ada kontak langsung, tidak ada bagian-bagian yang bergerak.• Fast switching (pengukuran cepat)• Tidak sensitive pada getaran (vibration)• Selalu diperlukan pelurusan (Alignment)• Dapat dipengaruhi sumber cahaya lingkungan (contoh: cahaya saat pengelasan)• Perlu lingkungan bersih, bebas debu dan air

Penggunaan Optical Proximity Sensors

• Pengendalian tinggi tumpukan box (kotak) atau penghitungan jumlah box • Pengendalian level zat cair • Pendeteksi terputusnya suatu rangkaian (Breakage and jam detection)• dll…

http://www.omron-ap.com/application_ex/index.htmhttp://www.sick.de/english/products/products.htmhttp://content.honeywell.com/sensing/prodinfo/

2.1.3 Ultrasonic Proximity Sensors

• Menggunakan pulsa (gelombang) suara• Informasi yang diperoleh lebih dari sekedar on/off (ada/tidak)• Frequencies 40KHz-2MHz

4

Sifat Penggunaan Ultrasonic Sensors

• Dapat bekerja pada lingkungan sangat berdebu dan air• Nois merupakan issu potensial

http://www.automationsensors.com/

Contoh Aplikasi

2.1.4 Inductive and Capacitive Proximity Sensors

5

• Sensor Inductive bekerja dengan adanya perubahan medan magnetic local jika ada target metal terdeteksi • Sensor Capacitive bekerja dengan adanya perubahan kapasitansi yang disebabkan oleh objek non-metal

Contoh Inductive Sensors I

Contoh Inductive Sensors II

Contoh Capacitive Sensors

6

2.2 Pengukuran Posisi dan Kecepatan (Position and Velocity)

• Pengukuran Posisi dan kecepatan biasanya memerlukan sistim pengukuran l closed-loop atau feedback loops• Pengukuran Posisi:

– Potentiometers– LVDT– Encoders

• Pengukuran Kecepatan:– Tachometer

2.2.1 Potentiometers

Types of Potentiometer

7

• Wirewound– Wiper slides along coil of Ni-chrome wire– Wire tends to fail, temperature variations

• Cermet– Wiper slides on conductive ceramic track– Better than wire inmost respects

• Plastic film– High resolution– Long life and good temperature stability

Potentiometer diperlukan jika:

• Dalam hal pengendalian sinyal analog• Perlu informasi posisi absolut• Low cost• Tidak dilingkungan berdebu dan basah

2.2.2 Linear Variable Differential Transformer (LVDT)

• An LVDT consists of a magnetic core that moves in a cylinder• The sleeve of the cylinder contains a primary coil that is drivenby an oscillating voltage• The sleeve also contains two secondary coils that detect thisoscillating voltage with a magnitude equal to displacement• The automatic nulling that can be achieved using two coilsmakes LVDTs very accurate (submillimetre)

LVDT Signal Conditioning

8

Example LVDTs

When to use an LVDT

• High accuracy• Linear operation (synchro resolver is equivalent rotary LVDT)• Harsh environment• Analog position control• Embedding (in cylinder for example)

2.2.3 Optical Encoders

• Encoders are digital Sensors commonly used to provide position feedback for actuators• Consist of a glass or plastic disc that rotates between a light source (LED) and a pair of photodetectors• Disk is encoded with alternate light an dark sectors so pulses are produced as disk rotates

9

Encoder Internal Structure

Incremental Encoders

Absolute Encoders10

Encoder processing

When to Use an Encoder

• Require accurate position information:– 10,000 line incremental– 360 line absolute

• Digital feed-back loop• Compact and reasonably rugged (not as good as inductive)• Linear encoders also available

2.2.3 Tachometers

• Measurement of rotary speed using a DC generator

11

• Essentially a motor running in reverse• Used to be common to have these attached to motors to enable direct analog feedback• Much less common now with digital control (use incremental encoders)

2.3 Force and Pressure

• Force and Pressure generally measured indirectly through deflection of an alternate surface• Mechanism include:

– Physical motion and measurement using (eg) an LVDT– Strain gauges (metal that changes resistance when stressed)– Piezo electric materials that generate a current when deformed

2.3.1 LVDT Load Cell

12

2.3.2 Strain Gauge Bridge

13