Diktat SENSOR & TRANSDUSER (UTS) · PDF file2. Sensitivias Sensitivitas akan menunjukan...

Diktat

Sensor dan Transduser

Irwan Kurniawan, ST

POLITEKNIK JAMBI

BAB I

Sensor dan Transduser

Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang cepat

terutama dibidang otomasi industri. Perkembangan ini tampak jelas di industri pemabrikan,

dimana sebelumnya banyak pekerjaan menggunakan tangan manusia, kemudian beralih

menggunakan mesin, berikutnya dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sekarang

sudah menggunakan robotic (full automatic) seperti penggunaan Flexible Manufacturing

Systems (FMS) dan Computerized Integrated Manufacture (CIM) dan sebagainya.

Model apapun yang digunakan dalam sistem otomasi pemabrikan sangat tergantung

kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian menunjukan secanggih

apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat tergantung kepada sensor maupun

transduser yang digunakan.

Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai

peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. Ketepatan dan kesesuaian

dalam memilih sebuah sensor akan sangat menentukan kinerja dari sistem pengaturan

secara otomatis.

Besaran masukan pada kebanyakan sistem kendali adalah bukan besaran listrik,

seperti besaran fisika, kimia, mekanis dan sebagainya. Untuk memakaikan besaran listrik

pada sistem pengukuran, atau sistem manipulasi atau sistem pengontrolan, maka biasanya

besaran yang bukan listrik diubah terlebih dahulu menjadi suatu sinyal listrik melalui sebuah

alat yang disebut transducer

Sebelum lebih jauh kita mempelajari sensor dan transduser ada sebuah alat lagi

yang selalu melengkapi dan mengiringi keberadaan sensor dan transduser dalam sebuah

sistem pengukuran, atau sistem manipulasi, maupun sistem pengontrolan yaitu yang disebut

alat ukur.

Definisi-definisi

- Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau

sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi

fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya.

Contoh; Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran,

kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya,

dan lainnya.

- Transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam

sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama

atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi

ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas

- Alat Ukur adalah sesuatu alat yang berfungsi memberikan batasan nilai atau harga

tertentu dari gejala-gejala atau sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi.

Contoh: voltmeter, ampermeter untuk sinyal listrik; tachometer, speedometer untuk

kecepatan gerak mekanik, lux-meter untuk intensitas cahaya, dan sebagainya.

Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan sistem yang

akan disensor maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor berikut ini :

1. Linearitas

Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu

sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai

contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas

yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat diketahui secara tepat

bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah

grafik.

Gambar 1 memperlihatkan hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda.

Garis lurus pada gambar 1(a). memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada

gambar 1(b). adalah tanggapan non-linier.

2. Sensitivias

Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas

yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan

“perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”. Beberepa sensor

panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “satu volt per derajat”,

yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan

satu volt pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan “dua

volt per derajat”, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama.

Linieritas sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya

linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran

keseluruhan. Sensor dengan tanggapan pada gambar 1(b) akan lebih peka pada

temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.

3. Tanggapan Waktu

Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap

perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan frekuensi yang

jelek adalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan

keluarannya adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan temperatur terjadi sedikit

demi sedikit dan kontinyu terhadap waktu, seperti tampak pada gambar 1.2(a).

Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam satuan hertz

(Hz). 1 hertz berarti 1 siklus per detik, 1 kilohertz berarti 1000 siklus per detik].

Pada frekuensi rendah, yaitu pada saat temperatur berubah secara lambat,

100

Tem

pera

tur

(mas

ukan

) 1

100

Tem

pera

tur

(mas

ukan

) 1

0 0

Tegangan (keluaran)

(a) Tangapan linier (b) Tangapan non linier

Gambar 1. Keluaran dari transduser panas (D Sharon dkk, 1982),

Tegangan (keluaran)

termometer akan mengikuti perubahan tersebut dengan “setia”. Tetapi apabila

perubahan temperatur sangat cepat lihat gambar 1.2(b) maka tidak diharapkan akan

melihat perubahan besar pada termometer merkuri, karena ia bersifat lamban dan

hanya akan menunjukan temperatur rata-rata.

Ada bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor. Misalnya

“satu milivolt pada 500 hertz”. Tanggapan frekuensi dapat pula dinyatakan dengan

“decibel (db)”, yaitu untuk membandingkan daya keluaran pada frekuensi tertentu

dengan daya keluaran pada frekuensi referensi.

Ketentuan lain yang perlu diperhatikan dalam memilih sensor yang tepat adalah dengan

mengajukan beberapa pertanyaan berikut ini:

a. Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang

diperlukan?

b. Apakah ia cukup akurat?

c. Apakah ia bekerja pada jangkauan yang sesuai?

d. Apakah ia akan mempengaruhi kuantitas yang sedang diukur?.

Sebagai contoh, bila sebuah sensor panas yang besar dicelupkan kedalam jumlah

air air yang kecil, malah menimbulkan efek memanaskan air tersebut, bukan

menyensornya.

e. Apakah ia tidak mudah rusak dalam pemakaiannya?.

f. Apakah ia dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya?

g. Apakah biayanya terlalu mahal?

Rat

a-ra

ta

Waktu

Tem

pera

tur

1 siklus

50

40

30

50

40

30

(a) Perubahan lambat (b) Perubahan cepat

Gambar 1.2 Temperatur berubah secara kontinyu (D. Sharon, dkk, 1982)

BAB II

SENSOR CAHAYA

Pokok bahasan :

- Photovoltaik

- LDR

- Photodioda dan Photo-transistor

Elemen-elemen sensitive cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi

cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap semua spectrum warna dan

juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra merah. Energi cahaya bila diolah

dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan secara maksimal untuk teknik

pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik kompensasi.

A. PHOTOVOLTAIK

Efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang

mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsur-

unsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron

valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensilogam-logam tersebut juga mudah

lepas olehadanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam-logam

diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim

digunakan sebagai foto detektor.

Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi

gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin kearah warna cahaya biru,

makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh

terhadap arus listrik. Bila foto voltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah

tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor.

Gambar 4.7. Pembangkitan tegangan pada Foto volatik

Berikut karakteristik dari foto voltaik berdasarkan hubungan antara intensitas cahaya

dengan arus dan tegangan yang dihasilkan.

B. LDR (Light Dependent Resistor)

PRINSIP KERJA LDR

LDR (Light Dependent Resistor) adalah suatu komponen elektronik yang

resistansinya berubah ubah tergantung pada intensitas cahaya.

semakin besar maka resistansi LDR semakin kecil, jika intensitas cahaya semakin kec

resistansi LDR semakin besar. LDR sering juga disebut dengan sensor cahaya.

Cara merangkai LDR ada 2, tergantung dengan respon yang diinginkan. Rangkaian

itu antara lain:

-

Katoda dari Selenium

Gambar 4.7. Pembangkitan tegangan pada Foto volatik


dengan arus dan tegangan yang dihasilkan.

LDR (Light Dependent Resistor)


resistansinya berubah ubah tergantung pada intensitas cahaya. Jika intensitas cahaya

semakin besar maka resistansi LDR semakin kecil, jika intensitas cahaya semakin kec

LDR sering juga disebut dengan sensor cahaya.


+

Anoda dari Cessium

Sinar datang

Electron keluar dari permukaan

Tegangan keluaran Tabung Hampa



Jika intensitas cahaya

semakin besar maka resistansi LDR semakin kecil, jika intensitas cahaya semakin kecil maka


Cara kerja rangkaian 1 adalah pada saat intensitas cahaya disekitar LDR membesar,

maka hambatan LDR akan mengecil. Hal ini menyebabkan tegangan pada Titik 1 semakin

besar. Dan sebaliknya, jika intensitas cahaya disekitar LDR semakin kecil, maka hambatan

LDR semakin besar. Hal ini menyebabkan tegangan pada Titik 1 semakin kecil.

R2

LDR

+5V

Titik 2

Cara kerja rangkaian 2 adalah pada saat intensitas cahaya disekitar LDR mengecil,

maka hambatan LDR akan membesar. Hal ini menyebabkan tegangan pada Titik 2 semakin

membesar. Dan sebaliknya, jika intensitas cahaya disekitar LDR semakin besar, maka

hambatan pada LDR semakin kecil. Hal ini menyebabkan tegangan pada Titik 2 semakin

mengecil.

LDR memanfaatkan bahan semikonduktor yang karakteristik listriknya berubah-ubah

sesuai dengan cahaya yang diterima. Bahan yang digunakan adalah Kadmium Sulfida (CdS)

dan Kadmium Selenida (CdSe).

APLIKASI LDR UNTUK LAMPU JALAN

Contoh penggunaannya adalah pada lampu taman dan lampu jalan yang bisa

menyala di malam hari dan padam di siang hari secara otomatis

Pada dasarnya rangkaian diatas dirancang bagaimana supaya dengan adanya

kenaikan resistansi pada LDR akan bisa memposisikan saklar relay ke posisi ON. Karena

karakteristik dari LDR adalah naiknya tingkat kegelapan kondisi cahaya akan menaikkan nilai

tahanan dari LDR tersebut dengan kata lain semakin terang atau semakin besar intensitas

cahaya akan menurunkan nilai resistansinya.

Jadi sesuai sifat LDR tadi maka LDR tersebut dihubungkan seri dengan tahanan VR

(variable resistor) sehingga terjadi pembagian tegangan antara keduanya. Kemudian

posisikan besarnya tegangan pada salah satu diantara keduanya untuk dijadikan sebagai

pemicu pada basis transistor.

Pada saat kondisi semakin gelap nilai tahanan LDR akan naik dan terjadi pula

kenaikan nilai tegangan pada LDR (sesuai hukum pembagi tegangan) maka artinya

tegangan pada LDR ini bisa kita jadikan sebagai supply tegangan untuk pemicu basis

transistor sehingga akan mengaktifkan transistor dan rangkaian relay. Kemudian relay

akan menarik saklar ke posisi ON dan arus dari sumber mengalir ke lampu sehingga lampu

akan menyala.

PHOTO DIODA dan PHOTO-TRANSISTOR

Prinsip kerja, karena photodioda terbuat dari semikonduktor p-n junction

maka cahaya yang diserap oleh photodioda akan mengakibatkan terjadinya

pergeseran foton yang akan menghasilkan pasangan electron-hole dikedua sisi dari

sambungan. Ketika elektron-elektron yang dihasilkan itu masuk ke pita konduksi

maka elektron-elektron itu akan mengalir ke arah positif sumber tegangan

sedangkan hole yang dihasilkan mengalir ke arah negatif sumber tegangan sehingga

arus akan mengalir di dalam rangkaian. Besarnya pasangan elektron ataupun hole

yang dihasilkan tergantung dari besarnya intensitas cahaya yang diserap oleh

photodioda.

Photodiodes dibuat dari semikonduktor dengan bahan yang populer adalah silicon (

Si) atau galium arsenida ( GaAs), dan yang lain meliputi InSb, InAs, PbSe. Material

ini menyerap cahaya dengan karakteristik panjang gelombang mencakup: 2500 Å -

11000 Å untuk silicon, 8000 Å – 20,000 Å untuk GaAs. Ketika sebuah photon (satu

satuan energi dalam cahaya) dari sumber cahaya diserap, hal tersebut

membangkitkan suatu elektron dan menghasilkan sepasang pembawa muatan

tunggal, sebuah elektron dan sebuah hole, di mana suatu hole adalah bagian dari

kisi-kisi semikonduktor yang kehilangan elektron. Arah Arus yang melalui sebuah

semikonduktor adalah kebalikan dengan gerak muatan pembawa. cara tersebut

didalam sebuah photodiode digunakan untuk mengumpulkan photon - menyebabkan

pembawa muatan (seperti arus atau tegangan) mengalir/terbentuk di bagian-bagian

elektroda.

Photodioda digunakan sebagai penangkap gelombang cahaya yang

dipancarkan oleh Infrared. Besarnya tegangan atau arus listrik yang dihasilkan oleh

photodioda tergantung besar kecilnya radiasi yang dipancarkan oleh infrared.

Gambar : panjang gelombang yang dihasilkan oleh bahan photodioda yang berbeda

terhadap pengliatan mata

Photo dioda digunakan sebagai komponen pendeteksi ada tidaknya

cahaya maupun dapat digunakan untuk membentuk sebuah alat ukur akurat yang

dapat mendeteksi intensitas cahaya dibawah 1pW/cm2 sampai intensitas diatas

10mW/cm2. Photo dioda mempunyai resistansi yang rendah pada kondisi forward

bias, kita dapat memanfaatkan photo dioda ini pada kondisi reverse bias dimana

resistansi dari photo dioda akan turun seiring dengan intensitas cahaya yang masuk.

Jika photo dioda tidak terkena cahaya, maka tidak ada arus yang mengalir ke

rangkaian pembanding, jika photo dioda terkena cahaya maka photodiode akan

bersifat sebagai tegangan, sehingga Vcc dan photo dioda tersusun seri, akibatnya

terdapat arus yang mengalir ke rangkaian pembanding.

λi

Gambar: simbol photodioda

Sifat dari Photodioda adalah :

1. Jika terkena cahaya maka resistansi nya berkurang

2. Jika tidak terkena cahaya maka resistansi nya meningkat.

Kenapa Photodioda dipasang bias mundur ?? Berdasarkan teori mengenai

dioda. Pada saat dioda dipasang bias mundur, maka arus tidak akan mengalir

karena hambatan yg sangat besar sekali. Jadi bisa dikatakan ini dioda sebagai

kondisi Open Circuit jika dianalogikan seperti sakelar. namun pada photodioda,

hambatan yang besar tadi bisa menjadi kecil karena pengaruh cahaya yang masuk.

Hal seperti ini bisa menyebabkan arus mengalir sehingga kondisi seperti ini bisa

dikatakan sebagai Close Circuit jika dianalogikan seperti sakelar

Menunjukkan hasil bahwa tegangan keluaran (Vout) sebanding dengan LUX

(Intensitas cahaya ) yang diterima oleh photodioda. Hal ini menunjukkan bahwa

pada saat photodioda dibias reverse, resistansi photodioda akan turun seiring

dengan intensitas caha yang diterima phot

turun menyebabkan tegangan Vout akan naik.

Pada saat intensitas cahaya yang diterima photodioda rendah, photodioda

memiliki resistansi yang tinggi sehingga menyebabkan nilai tegangan keluarannya

juga rendah. Hal ini dikarenakan nilai arus yang mengalir pada photodioda kecil.

Alarm Otomatis Dengan Sensor Infrared Dan Photodioda

C

E

BTR1

PhotoDioda

Infr

ared

i

VCC

Ketika cahaya infrared terpotong maka arussehingga menon-aktifkan TR1 relay pun ikut menjadi aktif. ON sehingga tegangan sumberberbunyi.

hasil bahwa tegangan keluaran (Vout) sebanding dengan LUX



dengan intensitas caha yang diterima photodioda naik. Sehingga, resistansi yang

turun menyebabkan tegangan Vout akan naik.



ikarenakan nilai arus yang mengalir pada photodioda kecil.


Alarm

Relay

AC220 V

C

E

B

Saklar Relay

TR2

infrared terpotong maka arus (i) tidak mengalir pada photodiode aktifkan TR1 dan sebaliknya TR2 akan menjadi aktif dan rangkaian

aktif. Karena relay aktif maka akan menarik saklar sehingga tegangan sumber dapat mengalir ke alarm. Sehingga alarm akan

hasil bahwa tegangan keluaran (Vout) sebanding dengan LUX



odioda naik. Sehingga, resistansi yang



ikarenakan nilai arus yang mengalir pada photodioda kecil.

(i) tidak mengalir pada photodiode dan rangkaian saklar ke posisi

ehingga alarm akan

Photo Transistor

Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai

sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto dengan

transistor foto dalam satu rangkain.

– Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto

– Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip

– Transistor sebagai penguat arus

– Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto

Karakteristik transistor foto, (a) sampai (d) rangkaian uji transistor foto

40 30 20 10

Intensity (W/m2)

2 4 6 8 10 12 14 16 Collector-Emitter Voltage

28

20

12

8

4

Col

lect

or C

urre

nt (

mA

)


Infrared

Ketika cahaya infrared terpotong maka TR1 (phototransistor) tidak aktif dan sebaliknya TR2 akan menjadi aktif dan rangkaian relay pun ikut menjadi aktif. Karena relay aktif maka akan menarik saklar ke posisi ON sehingga tegangan sumber dapat mengalir ke alarm. Sehingga alarm akan berbunyi.

BAB III

SENSOR THERMAL

AC. Srivastava, (1987), mengatakan temperatur merupakan salah satu dari empat

besaran dasar yang diakui oleh Sistem Pengukuran Internasional (The International

Measuring System). Lord Kelvin pada tahun 1848 mengusulkan skala temperature

termodinamika pada suatu titik tetap triple point, dimana fase padat, cair dan uap

berada bersama dalam equilibrium, angka ini adalah 273,16 oK ( derajat Kelvin) yang

juga merupakan titik es. Skala lain adalah Celcius, Fahrenheit dan Rankine dengan

hubungan sebagai berikut:

oF = 9/5 oC + 32 atau oC = 5/9 (oF-32) atau oR = oF + 459,69

Yayan I.B, (1998), mengatakan temperatur adalah kondisi penting dari suatu

substrat. Sedangkan “panas adalah salah satu bentuk energi yang diasosiasikan

dengan aktifitas molekul-molekul dari suatu substrat”. Partikel dari suatu substrat

diasumsikan selalu bergerak. Pergerakan partikel inilah yang kemudian dirasakan

sebagai panas. Sedangkan temperatur adalah ukuran perbandingan dari panas

tersebut.

Pergerakan partikel substrat dapat terjadi pada tiga dimensi benda yaitu:

1. Benda padat,

2. Benda cair dan

3. Benda gas (udara)

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

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

kontak langsung

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

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

langsung

Pada aplikasi pendeteksian atau pengukuran tertentu, dapat dipilih salah satu

tipe sensor dengan pertimbangan :

1. Penampilan (Performance)

2. Kehandalan (Reliable) dan

3. Faktor ekonomis ( Economic)

Pemilihan Jenis Sensor Suhu

Hal-hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan pemilihan jenis sensor

suhu adalah: (Yayan I.B, 1998)

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

2. Jangkauan (range) maksimum pengukuran

3. Konduktivitas kalor dari substrat

4. Respon waktu perubahan suhu dari substrat

5. Linieritas sensor

6. Jangkauan temperatur kerja

Selain dari ketentuan diatas, perlu juga diperhatikan aspek phisik dan kimia

dari sensor seperti ketahanan terhadap korosi (karat), ketahanan terhadap

guncangan, pengkabelan (instalasi), keamanan dan lain-lain.

SENSOR BIMETAL

Bimetal adalah sensor temperatur yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan

yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat strika listrik dan lampu kelap-kelip

(dimmer). Bimetal adalah sensor suhu yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang

berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu.

Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian

tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua

lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai

lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih

rendah memuai lebih pendek. Oleh karena perbedaan reaksi muai tersebut maka bimetal

akan melengkung kearah logam yang muainya lebih rendah. Dalam aplikasinya bimetal

dapat dibentuk menjadi saklar Normally Closed (NC) atau Normally Open (NO).

Kontruksi Bimetal ( Yayan I.B, 1998)

Sistem Tanda Belok dengan Flasher Tipe Bimetal

Sistem tanda belok tipe ini yaitu dengan mengandalkan kerja dari dua keping/bilah (strip)

bimetal untuk mengontrol kedipannya. Bimetal terdiri dari dua logam yang berbeda

(biasanya kuningan dan baja) yang digabung menjadi satu. Jika ada panas dari aliran listrik

yang masuk ke bimetal, maka akan terjadi pengembangan/pemuaian dari logam yang

berbeda tersebut dengan kecepatan yang berbeda pula. Hal ini akan menyebabkan bimetal

cenderung menjadi bengkok ke salah satu sisi. Dalam flasher tipe bimetal terdapat dua

keping bimetal yang dipasang berdekatan dan masing-masing mempunyai plat kontak pada

salah satu ujungnya.

Bimetal sesudah dipanaskan

Bimetal sebelum dipanaskan

Logam A Logam B

Cara kerja sistem tanda belok dengan flasher tipe bimetal Pada saat saklar lampu sein

digerakan (ke kiri atau kanan), arus mengalir ke voltage coil (kumparan) yang akan

membuat kumparan tersebut memanas dan bengkok. Setelah kebengkokannya sampai

menghubungkan kedua plat kontak di bagian ujungnya, arus kemudian mengalir ke current

coil (kumparan arus) terus ke lampu sein/tanda belok dan akhirnya ke massa (gambar

dibawah ). Saat ini lampu sein menyala dan current coil akan mulai bengkok menjauhi

voltage coil.

Setelah kebengkokan current coil membuat plat kontak terpisah/terbuka, maka lampu sein

mati. Selanjutnya current coil akan menjadi dingin setelah arus yang mengalir hilang dan

akhirnya bimatalnya akan lurus kembali posisinya sehingga plat kontak menempel kembali

dengan plat kontak yang dari voltage coil. Arus akan mengalir kembali untuk menghidupkan

lampu sein. Begitu seterusnya proses ini berulang sehingga lampu tanda belok berkedip.

THERMISTOR

Thermistor atau tahanan thermal

tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif.

Umumnya tahanan Thermistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6% untuk setiap

kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan

membuat Thermistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan

temperatur secara presisi.

Thermistor terbuat dari campuran oksida

mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman

tahanannya adalah dari 0,5 Ω sampai 75

Ukuran paling kecil berbentuk mani

mm, bentuk piringan (disk) atau cincin (

Cincin-cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna

memperbesar disipasi daya.

Dalam operasinya Thermistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap

temperatur, dan umumnya nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara eksponensial

untuk jenis NTC ( Negative Thermal Coeffisien

Koefisien temperatur α didefinisikan pada temperature tertentu,

Gambar berikut memperlihatkan simbol thermistor dan beberapa contoh thermistor di

pasaran.

.

TAT eRR β=

tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai



C. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini

membuat Thermistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi

Thermistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti:

cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman

sampai 75 Ω dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran.

Ukuran paling kecil berbentuk mani-manik (beads) dengan diameter 0,15 mm sampai 1,25

) atau cincin (washer) dengan ukuran 2,5 mm sampai 25 mm.

cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna

Thermistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap


Negative Thermal Coeffisien)

didefinisikan pada temperature tertentu, misalnya 25oC sbb.:


T (2.3)

(2.4)

adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai



yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini

dan kompensasi

oksida logam yang diendapkan seperti:

cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman

dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran.

) dengan diameter 0,15 mm sampai 1,25

) dengan ukuran 2,5 mm sampai 25 mm.

cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna

Thermistor memanfaatkan perubahan resistivitas terhadap


C sbb.:


(2.3)

(2.4)

Termistor ditemukan oleh Samuel Ruben

Amerika Serikat dengan nomor #2.021.491. Ada dua macam termistor secara umum:

Posistor atau PTC (Positive Temperature Coefficient

Coefficient). Nilai tahanan pada PTC akan

kenaikan resistansi linier terhadap temperature. Sementara sifat NTC justru kebalikannya,

dengan kenaikan resistansi secara exponential terhadap temperature..

Aplikasi Thermistor

Ada banyak aplikasi thermistor, misalnya dalam bidang automotive, militer, kedokteran,

telekomunikasi, space, dll. Dalam automotive bisa menggunakan NTC thermistor untuk

memonitor temperatur radiator/mesin yang dihubungkan ke electronic control unit (ECU)

dan kemudian ditampilakan dalam dashboard mobil. Dalam bidang kedokteran digunakan

untuk memonitor temperatur pasien pada saat operasi berlangsung. Dalam bidang space

untuk memonitor temperatur baterai, modul

satelit, dll.

Samuel Ruben pada tahun 1930, dan mendapat hak paten di


Positive Temperature Coefficient), dan NTC (Negative Temperature

). Nilai tahanan pada PTC akan naik jika perubahan suhunya naik, dengan


dengan kenaikan resistansi secara exponential terhadap temperature..

or, misalnya dalam bidang automotive, militer, kedokteran,



lam dashboard mobil. Dalam bidang kedokteran digunakan


untuk memonitor temperatur baterai, modul-modul satelit, memonitor ruangan dalam

pada tahun 1930, dan mendapat hak paten di


Negative Temperature

naik jika perubahan suhunya naik, dengan


or, misalnya dalam bidang automotive, militer, kedokteran,



lam dashboard mobil. Dalam bidang kedokteran digunakan


modul satelit, memonitor ruangan dalam

Contoh Aplikasi Thermistor

Pada contoh aplikasi ini digunakan thermistor jenis NTC untuk mengukur temperatur

ruangan. Pertama kali dilakukan karakterisasi thermistor NTC tersebut yaitu dengan cara

memasukkan ke dalam air es untuk temperatur dingin dan mendekatkan pada alat

untuk temperatur panas, kemudian mencatat besar resistansinya. Gambar berikut hasil

karakterisasi thermistor NTC.

Hasil dari karakterisasi thermistor NTC tersebut kemudian diplot dalam software mathematic

versi 5.1. Dari software tersebut dipe

temperatur.

dimana:

R : Resistansi Thermistor (Kohm)

T : Temperatur ruangan (oC)

Persamaan di atas merupakan persamaan resistansi terhadap perubahan temperatur.

Thermistor tersebut rencananya akan

dapat dibaca besar temperatutnya. Untuk itu perlu adanya rangkaian tambahan, yaitu

rangkaian pengkondisi sinyal untuk mengubah besaran resistansi menjadi tegangan analog.

Rangkaian pengkondisi sinyal diper



memasukkan ke dalam air es untuk temperatur dingin dan mendekatkan pada alat



versi 5.1. Dari software tersebut diperoleh persamaan perubahan resistansi terhadap

: Resistansi Thermistor (Kohm)


Thermistor tersebut rencananya akan dihubungkan dengan data acquisition system supaya



Rangkaian pengkondisi sinyal diperlihatkan dalam gambar berikut.



memasukkan ke dalam air es untuk temperatur dingin dan mendekatkan pada alat pemanas



roleh persamaan perubahan resistansi terhadap


dihubungkan dengan data acquisition system supaya



Dalam Gambar tersebut, thermistor dihubungkan dengan sebuah resistor 10Kohm sehingga

rangkaian tersebut berfungsi sebagai pembagi tegangan. Tegangan Vout dapat dicari

menggunakan persamaan:

dimana:

Vout : Tegangan output yang merepresentasikan temperatur.

R2 : Thermistor.

R3 : Resistansi pembagi.

Vcc : Tegangan sumber.

Setelah dilakukan percobaan didapatkan hubungan antara temperatur ruangan terhadap

tegangan output, hasilnya dapat dilihat dalam gam

Dari gambar tersebut didapatkan persamaan hubungan antara temperatur dengan tegangan

output dari rangkaian sinyal kondisioning.



output yang merepresentasikan temperatur.


tegangan output, hasilnya dapat dilihat dalam gambar berikut.


output dari rangkaian sinyal kondisioning.





dimana:

T : Temperatur ruangan.

V : Tegangan output yang merepresentasikan temperatur.

Dari keluaran tegangan tersebut bisa langsung dihubungkan dengan data acquisition system

untuk menampilkan hasil pengukuran temperatur ke dalam display

Resistor Variabel

Thermistor NTC

Sumber Tegangan

Panas

Contoh rangkaian aplikasi

: Tegangan output yang merepresentasikan temperatur.

keluaran tegangan tersebut bisa langsung dihubungkan dengan data acquisition system

untuk menampilkan hasil pengukuran temperatur ke dalam display

Relay

AC220 V

C

E

B

Saklar Relay

Contoh rangkaian aplikasi thermistor pada alarm panas otomatis

keluaran tegangan tersebut bisa langsung dihubungkan dengan data acquisition system

RTD (Resistansi Thermal Detektor)

RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat

dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan

tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah

bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500o C. Tembaga dapat

digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah

terserang korosi.

RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu:

1. Tidak diperlukan suhu referensi

2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat

yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.

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

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

5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi

sederhana dan murah.

Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur

uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah:

)1(0 tRRT ∆+= α

dimana : Ro = tahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0oC)

RT = tahanan konduktor pada temperatur toC

α = koefisien temperatur tahanan

∆t = selisih antara temperatur kerja dengan temperatur awal

Sedangkan model matematis nonliner kuadratik adalah:

Kabel keluaran

Kumparan kawat platina

Inti dari Quartz

Terminal sambungan

Gambar 2.9. Konstruksi RTD

THERMOCOUPLE

Thermocouple adalah salah satu dari beberapa jenis sensor temperatur yang menggunakan

metode secara elektrik dan sensor ini adalah sensor yang paling luas digunakan pada dunia

penindsutrian . Sensor ini terdiri dari dua kawat dari logam-logam yang berbeda yang

kemudian dilas (dikonneksikan) menjadi satu sama lain pada salah satu ujungnya.

thermocouple memiliki paling sedikit dua atau lebih hubungan yang berfungsi sebagai

hubungan pertama sebagai variable pengukuran (Hot Junction) dan hubungan yang kedua

sebagai referensi variable (Cold Junction) yang nantinya akan digunakan sebagai

pembanding antar element.

Prinsip Kerja

Prinsip kerja dari thermocouple menggunakan efek seebeck ( Efek Seebeck adalah konversi

energi panas menjadi energi listrik). Arus listrik mengalir pada rangkaian tertutup dari 2

konduktor berbeda, apabila kedua sambungan mengalami beda temperatur. Bila rangkaian

dibuka maka akan muncul tegangan Seebeck pada kedua terminal. jadi menurut efek

seebeck ketika dua konduktor yang berbeda menerima panas maka akan menimbulkan emf

(Electricmotive Force ) yang akan menimbulkan tegangan kecil dengan kisaran range 1

Vs

+

-

Ujung dingin

Beda potensial yang terjadi pada kedua ujung logam yang berbeda panas jenisnya

Beda potensial pada Termokopel

Ujung panas

VR RS VVVout −=

hingga 70 microvolt untuk setiap derajat kenaikan suhu. Dan kem

sesuai dengan reference table yang telah ada (table ini sesuai dengan tipe dari

thermocoupe yang dipakai).

Tentunya thermocouple memiliki kelebihan dan kekurangan sehingga dalam pemakaiannya

perlu ditempatkan sesuai dengan pe

lebih baik. berikut kelebihan dan kekurangan dari thermocouple yang

beberapa sumber referensi saya.

Kelebihan

Biaya pengadaan awal : rendah

Tidak ada bagian yang bergerak (No moving

Range pengukuran : lebar (0 ~ 5000°F)

Response time singkat / pendek

Repeatability : cukup baik

hingga 70 microvolt untuk setiap derajat kenaikan suhu. Dan kemudian akan dikonversikan

reference table yang telah ada (table ini sesuai dengan tipe dari


perlu ditempatkan sesuai dengan penggunaannya sehingga bisa mendapatkan hasil yang

lebih baik. berikut kelebihan dan kekurangan dari thermocouple yang saya dapatkan dari

beberapa sumber referensi saya.

Biaya pengadaan awal : rendah

Tidak ada bagian yang bergerak (No moving parts)

Range pengukuran : lebar (0 ~ 5000°F)

Response time singkat / pendek

udian akan dikonversikan

reference table yang telah ada (table ini sesuai dengan tipe dari


nggunaannya sehingga bisa mendapatkan hasil yang

saya dapatkan dari

Kekurangan

Hubungan temperature dan tegangan tidak linear penuh

Sensitivitas rendah, umumnya 50 µV/°C (28 µV/°F) atau lebih rendah (tegangan rendah

rentan dengan noise).

Accuracy pada umumnya tidak lebih baik dari pada 0.5 °C (0.9°F), tidak cukup tinggi untuk

beberapa aplikasi

.Memerlukan suatu acuan temperatur yang dikenal, umumnya temperature air es 0°C

(32°F). Modern thermocouple mengacu pada suatu acuan yang dihasilkan secara elektris.

BAB IV

SENSOR MEKANIS

Pergerakkan mekanis adalah tindakan yang paling banyak dijumpai dalam kehidupan

sehari-hari, seperti perpindahan suatu benda dari suatu posisi ke posisi lain, kecepatan

mobil di jalan raya, dongrak mobil yang dapat mengangkat mobil seberat 10 ton, debit air

didalam pipa pesat, tinggi permukaan air dalam tanki.

Semua gerak mekanis tersebut pada intinya hanya terdiri dari tiga macam, yaitu

gerak lurus, gerak melingkar dan gerak memuntir. Gerak mekanis disebabkan oleh adanya

gaya aksi yang dapat menimbulkan gaya reaksi. Banyak cara dilakukan untuk mengetahui

atau mengukur gerak mekanis misalnya mengukur jarak atau posisi dengan meter,

mengukur kecepatan dengan tachometer, mengukur debit air dengan rotameter dsb. Tetapi

jika ditemui gerakan mekanis yang berada dalam suatu sistem yang kompleks maka

diperlukan sebuah sensor untuk mendeteksi atau mengimformasikan nilai yang akan diukur.

Berikut akan dijabarkan beberapa jenis sensor mekanis yang sering dijumpai di dalam

kehidupan sehari-hari.

STRAIN GAGE

Strain gauge dapat dijadikan sebagai sensor posisi. SG dalam operasinya

memanfaatkan perubahan resistansi sehingganya dapat digunakan untuk mengukur

perpindahan yang sangat kecil akibat pembengkokan (tensile stress) atau peregangan

(tensile strain). Definisi elastisitas (ε) strain gauge adalah perbandingan perubahan panjang

(∆L) terhadap panjang semula (L) yaitu:

∆

atau perbandingan perubahan resistansi (∆R) terhadap resistansi semula (R) sama dengan

faktor gage (Gf) dikali elastisitas starin gage (ε) :

∆

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

kertas. Untuk proses pendeteksian SG ditempelkan dengan benda uji dengan dua

cara yaitu:

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

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

Gambar 3.1. Bentuk phisik strain gauge

Faktor gauge (Gf) merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari

• metal incompressible Gf = 2

• piezoresistif Gf =30

• piezoresistif sensor digunakan pada IC sensor tekanan

Untuk melakukan sensor pada benda uji maka rangkaian dan penempatan SG

adalah

• disusun dalam rangkaian jembatan

• dua strain gauge digunakan berdekatan, satu untuk peregangan/perapatan , satu

untuk kompensasi temperatur pada posisi yang tidak terpengaruh peregangan/

perapatan

• respons frekuensi ditentukan masa tempat strain gauge



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


Gambar 3.1. Bentuk phisik strain gauge

) merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari SG.

• metal incompressible Gf = 2

• piezoresistif sensor digunakan pada IC sensor tekanan


• disusun dalam rangkaian jembatan

uge digunakan berdekatan, satu untuk peregangan/perapatan , satu


• respons frekuensi ditentukan masa tempat strain gauge ditempatkan





uge digunakan berdekatan, satu untuk peregangan/perapatan , satu


LVDT (Linear Variabel Differential Transformer)

Linear Variable Differential Transformer (LVDT) merupakan salah satu alat ukur simpangan

yang mempunyai ketelitian sampai orde micrometer, LVDT tersusun dari satu kumparan

primer dan dua kumparan sekunder, kumparan terpasang secara melingkar di sepanjang inti

silinder ferromagnet. Tegangan AC mengalir pada primer sehingga karena prinsip induksi

maka secara proporsional terjadi induktansi di sekundernya dengan jangkauan frekuensi 1-

10kHz. Selama inti bergerak maka akan terjadi perubahan nilai pada tegangan sekunder.

Kumparan sekunder dihubungkan secara terbalik seri, sehingga tegangan keluarannya

berbeda antar sekundernya.

Karakteristik LVDT:

- memanfaatkan perubahan induksi magnit dari kumparan primer ke dua

kumparan sekunder

- dalam keadaan setimbang, inti magnet terletak ditengah dan kedua kumparan

sekunder menerima fluks yang sama

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

lainnya turun

- tegangan yang dihasilkan pada sekunder sebanding dengan perubahan

posisi inti magnetic

– hubungan linier bila inti masih disekitar posisi kesetimbangan

No. Posisi Inti (mm) Output

V1 V2 Vout 1 5 3 5.6 2.5 2 10 9 3.4 5.6 3 15 2.4 11 8

Diktat SENSOR & TRANSDUSER (UTS) · PDF file2. Sensitivias Sensitivitas akan menunjukan...

Documents

Transcript of Diktat SENSOR & TRANSDUSER (UTS) · PDF file2. Sensitivias Sensitivitas akan menunjukan...