PENGELOLAAN BENCANA -...
126
LAPORAN AKHIR HIBAH STRATEGIS NASIONAL DESAIN DAN PEMBUATAN SISTEM PENDETEKSI GEMPA BUMI BERBASIS FLUXGATE Tahun ke 2 dari rencana 3 tahun Ketua: Dr. Yulkifli, S.Pd, M.Si./NIDN: 0002077306 Anggota: Dr. Ahmad Fauzi, M.Si/NIDN: 0022056512 Drs. M. Taufik Gunawan, M.Sc./NIDN:- UNIVERSITAS NEGERI PADANG NOVEMBER 2014 PENGELOLAAN BENCANA
Transcript of PENGELOLAAN BENCANA -...
1
LAPORAN AKHIR
HIBAH STRATEGIS NASIONAL
DESAIN DAN PEMBUATAN SISTEM PENDETEKSI GEMPA BUMI BERBASIS
FLUXGATE
Tahun ke 2 dari rencana 3 tahun
Ketua:
Dr. Yulkifli, S.Pd, M.Si./NIDN: 0002077306
Anggota:
Dr. Ahmad Fauzi, M.Si/NIDN: 0022056512
Drs. M. Taufik Gunawan, M.Sc./NIDN:-
UNIVERSITAS NEGERI PADANG
NOVEMBER 2014
PENGELOLAAN BENCANA
2
3
4
RINGKASAN
Getaran merupakan salah satu besaran fisika yang dapat diukur dengan meggunakan
alat ukur getaran. Perkembangan alat ukur getaran mengaplikasikan gejala berbagai sensor,
misalnya sensor dengan menggunakan gejala perubahan kapasitansi, perubahan muatan
listrik dari piezoelektrik dan efek medan magnet dari sensor fluxgate. Aktifitas pergerakan
lempeng permukaan bumi dan gunung api dapat akan mengakibat terjadi gerakan yang
menghasilkan getaran sehingga menyebabkan terjadinya gempabumi. Agar dapat mengukur
peristiwa gempabumi maka dibutuhkan alat ukur gempabumi yang dapat menganalisa
kejadian gempabumi. Efek gempabumi jika ditinjau pada satu titik dapat berupa getaran.
Berdasarkan hal tersebut penulis membuat alat ukur gempabumi dari alat ukur getaran
dengan menggunakan sensor fluxgate. Sehingga tujuan penelitian ini adalah untuk dapat
mengetahui spesifikasi desain dan spesifikasi performansi alat ukur getaran display personal
computer (PC) untuk aplikasi gempabumi.
Penelitian ini merupakan penelitian eksperimental laboratorium. Teknik pengukuran
dan pengumpulan data dilakukan secara langsung dan tidak langsung. pengukuran secara
langsung dilakukan terhadap hasil alat ukur getaran. Secara sistematis tegangan keluaran
yang dihasikan oleh sensor fluxgate berbentuk sinyal analog. Data sinyal analog ini diolah
dengan ADC (Analog Digital Converter) pada mikrokontroler sehingga menjadi data digital.
Pengukuran tidak langsung berupa penampilan data digital yang diolah menggunakan
bahasa pemograman visual basic (bahasa C#). Hasil pengolahan ini yang ditampilkan di
layar monitor dalam bentuk grafik sebagai fungsi waktu yang merupakan bentuk getaran
yang akan dianalisa.
Berdasarkan analisis data yang telah dilakukan desain alat ukur ini dapat mengukur
getaran dengan resolusi sensitifitas sensor fluxgate terhadap simpangannya hingga ukuran
2,19 ∙ 10−3 𝑐𝑚, dan ujicoba dari pembuatan alat ukur getaran ini telah diterapkan pada skala
laboratorim dengan sumber getar buatan didapatkan pola grafik yang terekam sudah berupa
gelombang permukaan. Pengujian berikutnya dilakukan di BMKG Padang Panjang dengan
diawali survey dan beberapa kali diskusi dengan Tim di BMKG. Pemilihan BMKG ini
berdasarkan kesepakatan dengan anggota TIM peneliti yang berasal dari BMKG. Kegiatan
ini sekaligus mengimplementasikan MOU antara BMKG dengan FMIPA UNP. Saat laporan
kemajuan ini dibuat kami sedangkan megembangkan alat ukur gempa 2 D. diperkirakan
pada akhir tahap kedua ini diperoleh alat ukur 2 dimenasi yang bisa diuji di lapangan.
5
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ............................................................................................................................ 5
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... 8
BAB 1. PENDAHULUAN .................................................................................................... 10
1.1 Latar Belakang ....................................................................................................... 10
1.2 Perumusan Masalah ............................................................................................... 11
1.3 Pertanyaan Penelitian ............................................................................................. 11
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................... 12
2.1 Tinjauan Tentang Getaran ............................................................................................ 12
2.2 Tinjauan Tentang Getaran Gempabumi ...................................................................... 14
2.3 Tinjauan Gelombang Gempabumi .............................................................................. 19
2.3.1 Gelombang Badan (Body wave) ............................................................................ 19
2.3.1.1 Gelombang Primer .............................................................................................. 19
2.3.2 Gelombang permukaan .......................................................................................... 20
2.3.3 Intensitas Gelombang Gempabumi Makro (Makroseismik) ............................... 21
2.3.4 Energi dan Magnitudo Gelombang Gempabumi ................................................... 21
2.4 Tinjauan Tentang Sensor Fluxgate ............................................................................. 23
2.5 Pengolahan Sinyal Sensor Fluxgate ............................................................................ 27
2.5.1 Rangkaian Eksitasi Sensor Fluxgate ..................................................................... 27
2.5.1.1 Osilator dan Pembagi Frekuensi ......................................................................... 27
2.5.1.2 Rangkaian Penyangga (Buffer) .................................................................... 28
2.5.1.3 Pembangkit Sinyal Eksitasi ................................................................................ 29
2.5.2 Rangkaian Pengolah Sinyal ............................................................................. 29
2.5.2.1 Penguat Awal ...................................................................................................... 29
2.5.2.2 Detektor Sinkronisasi ......................................................................................... 30
2.5.3 Integrator ............................................................................................................... 31
2.5.4 Penguat Akhir ........................................................................................................ 31
2.6 Tinjauan Sensor Fluxgate yang digunakan .................................................................. 32
2.7 Power Supply ............................................................................................................... 33
2.8 Mikrokontroler PIC 18F4550 ....................................................................................... 34
2.9 Interfacing kontrol ........................................................................................................ 37
2.10 Sensor interface ...................................................................................................... 37
2.10.1 Sensor dan transduser .......................................................................................... 38
6
2.10.2 Pengkondisian sinyal ........................................................................................... 38
2.10.3 A/D Converter ..................................................................................................... 39
2.10.4 Pengolahan data ................................................................................................... 39
2.10.5 Interface “Manusia-Machine” ............................................................................. 39
2.10.6 Komunikasi interfacing ....................................................................................... 40
2.11 Bahasa C# (Dibaca “See-Sharp”) ............................................................................... 40
2.11.1 Feature dalam C# ................................................................................................. 40
2.11.2 Key word C# ........................................................................................................ 41
2.11.3 Penulisan Kode C# .............................................................................................. 41
BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ............................................................ 42
3.1 TUJUAN PENELITIAN ............................................................................................. 42
3.2 MANFAAT PENELITIAN ......................................................................................... 42
BAB 4. METODE PENELITIAN ......................................................................................... 43
4.1 Tempat dan waktu penelitian ...................................................................................... 43
4.2 Jenis Penelitian ............................................................................................................. 43
4.2.1 Variabel Penelitian ................................................................................................ 43
4.2.2 Model Penelitian .................................................................................................... 43
4.3 Alat dan bahan .............................................................................................................. 44
4.4 Desain Penelitian .......................................................................................................... 44
4.4.1 Perancangan Sistem Mekanik ................................................................................ 44
4.4.2 Desain rangkaian elektronika pembangun pembuatan alat ukur getaran berbasis
sensor fluxgate dengan display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi. ... 45
4.4.3 Desain cashing prototipe alat ................................................................................ 46
4.4.4 Desain perangkat lunak ......................................................................................... 46
4.5 Prosedur Penelitian ....................................................................................................... 47
4.5.1 Penentuan spesifikasi performansi sistem alat ukur .............................................. 48
4.5.2 Penentuan spesifikasi desain pengukuran sistem .................................................. 48
4.5.2.1 Perancangan sistem antarmuka pada hardware agar dapat beroperasi antara
komponen yang satu dan lainya. .................................................................................... 48
4.5.2.2 Pengukuran sensitifitas sensor fluxgate terhadap jarak dan material magnet
pada mekanik sensor ....................................................................................................... 49
4.5.2.3 Penentuan pola gelombang sistem pengukuran alat ukur ................................... 49
4.6 Teknik Pengumpulan Data ........................................................................................... 50
4.7 Analisis data ................................................................................................................. 50
7
BAB 5. HASIL YANG DICAPAI ......................................................................................... 52
5.1 Spesifikasi performansi alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate untuk aplikasi
gempabumi ......................................................................................................................... 52
5.2 Spesifikasi Desain Alat Ukur ....................................................................................... 58
5.2.1Rancangan sistem antarmuka pada hardware. ....................................................... 58
5.2.1.1 Proses pengambilan data. ................................................................................... 58
5.2.1.2 Penampilan data. ................................................................................................. 59
5.2.2 Sensitifitas sensor fluxgate terhadap jarak dan material magnet pada mekanik
sensor .............................................................................................................................. 59
5.2.3 Penentuan pola gelombang sistem pengukuran alat ukur ...................................... 60
5.2.3.1 Pengukuran dalam waktu 15 menit tanpa diberi usikan dengan kondisi normal
pada Gambar 35. ............................................................................................................. 60
5.2.3.2Pengukuran berulang dengan jarak yang sama terhadap usikan yang sama ....... 61
5.2.3.3 Pengukuran berulang dengan jarak yang berbeda terhadap usikan yang sama .. 61
5.2.3.4 Perbandingan Pola gelombang dari stasiun pencatat gempabumi terhadap
pengukuran berulang dengan jarak yang berbeda terhadap usikan yang sama .............. 62
5.3 Pembahasan .............................................................................................................. 63
BAB 6. RENCANA TAHUN III ........................................................................................... 72
BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................ 77
7.1 Kesimpulan .................................................................................................................. 77
7.1.2 Hasil spesifikasi performansi alat ukur ................................................................. 77
7.1.2 Hasil Spesifikasi Desain Alat Ukur. ...................................................................... 77
7.2 Saran ............................................................................................................................. 78
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................ 79
8
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. (a)Sistem derajat kebebasan tunggal dengan peredam. (b) gaya yang bekerja pada
benda (Goldman, 1999). ........................................................................................................ 12
Gambar 2. Getaran teredam ................................................................................................... 14
Gambar 3. Tegangan geser .................................................................................................... 15
Gambar 4. Sifat elastis lempeng tektonik .............................................................................. 15
Gambar 5. Simpangan getaran gempabumi ........................................................................... 17
Gambar 6. Getaran bebas dengan redaman dari persamaan orde satu ................................... 18
Gambar 7. Gelombang primer ............................................................................................... 19
Gambar 8. Gelombang sekunder ........................................................................................... 20
Gambar 9. Bentuk gelombang gempabumi ........................................................................... 22
Gambar 10. Prinsip sensor fluxgate ( Pavel Ripka dan Alois Tipek, 2007). ......................... 23
Gambar 11. Desain elemen sensor kumparan pick-up ganda dengan inti berbentuk oval
(Yulkifli, 2010) ...................................................................................................................... 24
Gambar 12. Prinsip kerja sensor fluxgate (dimodifikasi dari Grueger, 2000) ....................... 25
Gambar 13. Skema diagram pengolahan sinyal (Yulkifli,2010) ........................................... 27
Gambar 14. Rangkaian osilator kristal dan IC CD 4060 (Wandy, 2008) .............................. 28
Gambar 15. Op-amp yang berfungsi sebagai buffer sinyal ................................................... 29
Gambar 16. Rangkaian generator sinyal eksitasi (Wandy, 2008). ......................................... 29
Gambar 17. Rangkaian penguat awal (Yulkifli, 2011) ......................................................... 30
Gambar 18. Rangkaian detektor fasa ketika keluaran sensor positif (Yulkifli, 2011) ........... 31
Gambar 19. Rangkaian integrator (Wandy, 2008). ................................................................ 31
Gambar 20. Blok diagram penguat akhir (Wandy, 2008) ...................................................... 32
Gambar 21. Prinsip pengukuran jarak dengan fluxgate (Yulkifli, 2010) ............................... 33
Gambar 22. Rangkaian catu daya teregulasi .......................................................................... 34
Gambar 23. Pin mikrokontroler PIC 18F4550 ....................................................................... 35
Gambar 24. Struktur interface intelligent sensor .................................................................. 37
Gambar 25. Bentuk rancangan sistem mekanik pada sensor alat. ......................................... 44
Gambar 26. Blok diagram sistem .......................................................................................... 45
Gambar 27. Cashing prototipe alat ........................................................................................ 46
Gambar 28. Flowchart alat ukur getaran untuk aplikasi gempabumi .................................... 47
Gambar 29. Sistem mekanik sensor fluxgate ......................................................................... 52
Gambar 30. Modul pengolahan sinyal ................................................................................... 53
Gambar 31. Sirkuit elektronika modul pengolah data ........................................................... 54
Gambar 32. Tampilan tool driver seismograf sofware 12755 ............................................... 55
Gambar 33. Tampilan logloader ............................................................................................ 57
Gambar 34. Flowchart program mikrokotroler ...................................................................... 58
Gambar 35. Data tanpa usikan ............................................................................................... 60
Gambar 36. Pola pada jarak dan usikan sama ....................................................................... 61
Gambar 37. Jarak berbeda usikan sama ................................................................................. 62
Gambar 38. Data pengamat gempa (A) dan data alat ukur (B,C,D) ...................................... 63
Gambar 39, tampilan pc alat ukur seismograf ....................................................................... 66
Gambar 40, tampilan perangkat alat ukur gempa di BMKG dan alat ukur yang didesain .... 66
9
Gambar 41, pengaruh getaran pada mekanik yang diangkat terhadap keluran di pc sebelah
kiri .......................................................................................................................................... 67
Gambar 42, tampilan pc untuk alat ukur gempa accelerograph ............................................ 68
Gambar 43, empat buah pc (di bagian kiri) untuk memantau kekuatan dan lokasi pusat
gempa ..................................................................................................................................... 68
Gambar 44, tampilan pc alat ukur gempa yang terkoneksi ke BMKG centre ....................... 69
Gambar 45, mekanik serta pengolah sinyal alat ukur gempa yang didesain(depan) dan alat
ukur gempa di bmkg(belakang). ............................................................................................ 70
Gambar 46, respon alat terhadap usikan yang diberikan ....................................................... 70
Gambar 47, respon maksimum alat terhadap usikan yang diberikan .................................... 71
Gambar 48, respon alat terhadap usikan berupa hentakan kaki orang dewasa. ..................... 71
Gambar 49. Rancangan sistem mekanik alat deteksi getaran ................................................ 72
Gambar 50. Desain chasing mekanik dan pengolah sinyal. .................................................. 73
Gambar 51. Blok diagram sistem kontrol sinyal. ................................................................. 74
Gambar 52. Sebuah contoh arsitektur dasar WSN ................................................................ 75
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Artikel Ilmiah ................................................................................................... 81
Lampiran 2. Produk Penelitian dan Pengukuran .................................................................. 94
Lampiran 3. Cover Penelitian Mahasiswa ............................................................................ 97
Lampiran 4. Draft paten ........................................................................................................ 98
Lampiran 5. Draft buku ...................................................................................................... 107
Lampiran 6. Foto hasil awal dari disain sensor getaran 2-D .............................................. 111
Lampiran 7. Foto Hasil Awal Output dari Disain Sensor Getaran 2-D .............................. 112
Lampiran 8. Draft Artikel Draft Journal Internasional ....................................................... 113
10
BAB 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Daratan Indonesia merupakan daratan yang labil, karena Indonesia terletak di antara
pertemuan tiga lempeng tektonik, yaitu: Lempeng Indo-Australia, lempeng Eurasia, dan
lempeng Pasifik. Lempeng Indo-Australia bergerak relatif ke arah utara dan menyusup
kedalam lempeng Eurasia dan Indonesia juga berada pada jalur pegunungan aktif
memanjang dari Sumatera hingga Jawa. Akibatnya setiap tahun Indonesia mengalami gempa
bumi, baik berupa gempa tektonik atau gempa vulkanik.
Purwana (2010:1) menyatakan bahwa gempabumi adalah getaran (osilasi) yang
disebabkan oleh deformasi elastik yang merambat melalui bumi. Ketika gempabumi terjadi
sebagian energinya merambat kesegala arah berupa gelombang gempabumi. Besarnya
gelombang yang disebabkan gempa dapat diukur dengan alat yang digunakan untuk
menggukur getaran. Alat ukur getaran merupakan salah satu instrument fisika yang mampu
digunakan untuk mengukur getaran. Perkembangan alat mendeteksi getaran
mengaplikasikan gejala berbagai sensor, misalnya sensor dengan menggunakan gejala
perubahan kapasitansi, perubahan muatan listrik dari piezoelektrik, perubahan posisi dalam
Linier Variable Displacement Transvormer (LVDT), efek medan magnet, dan lain
sebagainya.
Sensor fluxgate merupakan sensor yang berkerja akibat respon induksi medan
magnet yang dapat dilihat dari karakteristiknya sensor fluxgate mampu mendeteksi
perubahan medan magnet yang sangat kecil hingga berorde nano tesla. Yulkifli (2010:203)
menyatakan bahwa “Berdasarkan kalibrasi terhadap sensor fluxgate dapat mengukur medan
magnet ± 20 μT dengan resolusi 7,6 nT, sensitivitas 4,08 mV/μT dan kesalahan relatif
0,021%”. Keunggulan resolusi sensor fluxgate yang kecil, jika dikembangkan sensor ini
11
dapat digunakan sebagai alat ukur dan menjadi dasar pembuatan alat ukur getaran gempa
(Djamal, et al. 2010).
Pembuatan alat ukur getaran gempa tidak hanya meliputi nilai besaran getaran
gempa yang di dapatkan, pembuatan juga meliputi pengolahan data yang dapat proses
secara cepat. Hal ini dapat dilakukan dengan mengintegrasikan data alat ukur getaran yang
didapat dari sensor fluxgate ke Personal Computer (PC). Dengan dasar ini penelitian ini
diberi judul “Desain dan Pembuatan Sistem Pendeteksi Gempa Bumi Berbasis Sensor
Fluxgate”.
1.2 Perumusan Masalah
Sebagai perumusan masalah penelitian ini yaitu bagaimana merancang dan
membangun sistem pendeteksi gempa bumi berbasis sensor fluxgate.
a. Bagaimana spesifikasi desain sistem alat ukur getaran menggunakan sensor fluxgate
untuk aplikasi gempabumi yang telah dihasilkan?.
b. Bagaimana spesifikasi performansi sistem alat ukur getaran menggunakan sensor
fluxgate untuk aplikasi gempabumi yang telah dihasilkan?.
1.3 Pertanyaan Penelitian
Dalam menjawab permasalahan dalam penelititan ini perlu dikemukakan pertanyaan
penelitian :
a. Menjelaskan spesifikasi desain alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate dengan
display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi.
b. Menjelaskan spesifikasi performansi alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate dengan
display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi
12
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tinjauan Tentang Getaran
Efek yang diberikan oleh gelombang gempabumi jika ditinjau pada satu titik
menimbulkan bentuk getaran, dari bentuk getaran ini akan didapat nilai-nilai besaran dari
gempabumi. Getaran merupakan gerakan bolak balik suatu benda disekitar titik
kesetimbangannya. Getaran disebabkan karena adanya gangguan yang diberikan kepada
suatu benda ataupun materi. Dalam menganalisa getaran ada beberapa hal yang perlu
diketahui, seperti simpangan, amplitude, frekuensi, dan perioda. Untuk meninjau konsep
mekanik sebuah benda bergetar dapat dilihat pada Error! Reference source not found..
Gambar 1. (a)Sistem derajat kebebasan tunggal dengan peredam. (b) gaya yang bekerja pada
benda (Goldman, 1999).
Error! Reference source not found. merupakan sistem derajat kebebasan tunggal
engan peredam. Dari Error! Reference source not found., dapat dilihat sebuah benda m
ditahan oleh sebuah pegas dengan konstata k, dan sebuah peredam dengan konstanta
redaman c. Goldman (1999:104). mengemukakan Resultan gaya dari masa ini adalah :
𝐹 = 𝑚𝑎 = 𝑚𝑑𝑣
𝑑𝑡= 𝑚
𝑑2𝑥
𝑑𝑡2 (1)
13
Gaya-gaya yang bekerja pada benda ditunjukan pada Error! Reference source not
ound., dimana gaya pegas adalah kx dan gaya redaman adalah 𝑐𝑣 = 𝑐𝑑𝑥
𝑑𝑡. Dengan
menggunakan hukum Newton-II diperoleh persamaan umum getaran, yaitu :
𝑚𝑑2𝑥
𝑑𝑡2 + 𝑐𝑑𝑥
𝑑𝑡+ 𝑘𝑥 = 0 (2)
Peter (2011:60) menggambarkan bahwa solusi persamaan getaran dengan peredam
dapat diperoleh dengan bentuk eksponensial, yaitu:
𝑥 𝑡 = 𝐶𝑒𝑠𝑡 (3)
dimana C dan s merupakan konstanta yang akan dicari dengan mensubtitusikan persamaan 2
ke dalam persamaan 3, maka didapatkan :
𝐶(𝑚𝑠2 + 𝑐𝑠 + 𝑘) = 0 (4)
karena C tidak boleh berharga nol maka prsamaan 4 menjadi :
𝑚𝑠2 + 𝑐𝑠 + 𝑘 = 0 (5)
Persamaan 5 memiliki dua akar dari rumus ABC, yaitu :
𝑠1,2 = −𝑐
2𝑚±
𝑐
2𝑚
2
−𝑘
𝑚 (6)
Untuk memperoleh solusi umum dari persamaan 2, Dua akar dari persamaan 6
disubtitusikan ke persamaan 3, didapatkan :
𝑥 𝑡 = 𝐴𝑒𝑠1𝑡 + 𝐵𝑒𝑠2𝑡
𝑥 𝑡 = 𝑒− 𝑐
2𝑚 𝑡 𝐴𝑒
𝑐
2𝑚
2−𝑘
𝑚 + 𝐵𝑒−
𝑐
2𝑚
2−𝑘
𝑚 (7)
A dan B merupkan konstanta yang dihitung dari kondisi awal x(0) dan 𝑥 0 . Nilai
suatu redaman biasanya dinyatakan dalam redaman kritis :
𝜉 =𝑐
𝑐𝑐 (8)
yang disebut rasio redaman. Dengan mengingat bahwa :
𝑐
2𝑚= 𝜉
𝑐𝑐
2𝑚= 𝜉𝜔𝑛 (9)
14
akar persamaan 6 sekarang dinyatakan dalam 𝜉 sehingga persamaan menjadi :
𝑠1,2 = −𝜉 ± 𝜉 2 − 1 𝜔𝑛 (10)
Dengan mensubtitusikan persamaan 10 dan persamaan 7, Prasetio (1992:30) mengemukakan
solusi umum persamaan 2 menjadi :
𝑥 𝑡 = 𝑒− 𝜉𝜔𝑛 𝑡 𝐶1𝑠𝑖𝑛 1 − 𝜉 2𝜔𝑛𝑡 + 𝐶2𝑐𝑜𝑠 1 − 𝜉 2𝜔𝑛 (11)
Fungsi persamaan 2, dapat kita gambarkan bentuk asumsi getaran seperti terlihat
pada Gambar 2.
Gambar 2. Getaran teredam
2.2 Tinjauan Tentang Getaran Gempabumi
Getaran ditemukan pada peristiwa gempabumi saat terjadi patahan pada lempeng
bumi, bagunan akan mengalami keruntuhan oleh getaran gempabumi. Ketika suatu lempeng
mengalami tekukan/retakan berarti lempeng telah mengalami strain. Gaya yang
menyebabkan terjadinya deformasi disebut dengan stress, konsep tegangan geser (Shear
stress) yang diakibatkan gempabumi menggunakan ilustrasi yang seperti yang ditunjukan
pada Gambar 3.
15
Gambar 3. Tegangan geser
Berdasarkan Gambar 3, dapat diketahui hubungan antara gaya geser (F), luasan
efektif (A), dan sudut geser 𝛷 seperti persamaan :
𝑡𝑎𝑛 =𝐹
𝐴 (12)
selanjutnya tegangan geser gempa dapat ditentukan seperti persamaan :
=𝐹
𝐴 dan =
𝑁
𝐴 (13)
dimana τ adalah tegangan geser (N/m2) dan σ adalah tegangan total (N/m
2).
Pada saat terjadi gempabumi, selain mengalami geseran lempeng tektonik bumi juga
akan mengalami deformasi. Berkaitan dengan deformasi lempeng tektonik bumi, Marchand
(2009: 2) mengungkapkan bahwa sebuah lempeng tektonik yang massanya m, ketebalannya
h dan memiliki nilai tetapan elastisitas lempeng sebesar k, ketika menerima gaya F(t) akan
mengalami simpangan sejauh u(t). Hal ini terlihat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Sifat elastis lempeng tektonik
16
Gambar 4 mempelihatkan bahwa akibat gaya yang bekerja pada lempeng maka besar
modulus Elastisitas lempeng yang dimiliki lempeng tersebut dinyatakan seperti persamaan :
k =𝐸𝐼
3 atau E = 𝑘
3
𝐼 (14)
dimana E adalah modulus elastisitas lempeng bumi, k adalah nilai tetapan elastisitas
lempeng, h adalah ketebalan lempeng, dan I adalah momen inersia lempeng.
Modulus elastisitas lempeng tektonik bumi dipengaruhi oleh besarnya tegangan
(stress) yang bekerja pada lempeng tektonik bumi. Hukum Hooke yang bekerja pada
lempeng tektonik batuan dapat dinyatakan seperti persamaan :
σ = 𝐶. ε (15)
dengan, adalah strain, adalah stress, sedangkan C adalah konstanta elastisitas lempeng
tektonik. Sejalan dengan itu, Earthquake Seismology UCL (2009: 8) menjelaskan bahwa
hukum Hooke untuk batuan isotropis dapat dinyatakan seperti persamaan :
ε =1
𝐸σ1 −
𝐸σ2. (16)
Dimana ε adalah starin batuan, σ adalah stress batuan (N/m2), E adalah modulus
Young (N/m2), dan adalah nilai rasio Poisson (lempeng tektonik batuan berkisar 2 > >3).
Ketika gaya yang bekerja pada lempeng tektonik bumi melebihi batas elastisitas lempeng
maka akan terjadi patahan lempeng yang menimbulkan pelepasan energi seismik.
Akibat yang ditimbulkan ketika terjadi tumbukan lempeng tektonik bumi adalah
berupa getaran yang merambat. Marchand (1999: 477) menjelaskan bahwa karakteristik
getaran yang dihasilkan akibat gempabumi dapat diungkapkan berdasarkan hukum Hooke
dan hukum Newton yang dinyatakan seperti persamaan :
𝑚𝑢" + 𝑢′ + 𝑘𝑢 = 𝐹(𝑡) (17)
17
dimana m adalah massa, u adalah perpindahan lempeng, 𝑢′menyatakan kecepatan lempeng,
𝑢′′menyatakan percepatan lempeng, menyatakan viscous damping dan F(t) menyatakan
gaya eksternal sebagai fungsi waktu. Selanjutnya, Mohorovi (2009: 9) mengilustrasikan
getaran gempabumi dengan sebuah titik dipermukaan bumi yang berosilasi sejauh S dalam
selang waktu t seperti ditunjukkan Gambar 14.
Gambar 5. Simpangan getaran gempabumi
persamaan simpangan getaran gempabumi ini memenuhi persamaan :
𝑠 = 𝑎 𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑡
𝑇 (18)
dimana, s adalah jarak (m), T adalah periode getar (s), t adalah waktu getar (s), dan α adalah
amplitudo (m/s2). Sementara itu, Akkar (2011:9) menggambarkan bahwa persamaan
simpangan getaran gempabumi dengan redaman dengan faktor redaman (0<<1)
menggunakan persamaan orde satu ditunjukkan pada persamaan:
(19)
Persamaan diatas dapat dilukiskan seperti Gambar 6.
18
Gambar 6. Getaran bebas dengan redaman dari persamaan orde satu
Pada saat terjadi gempabumi, tanah akan mengalami percepatan getaran yang dikenal
Peak Ground Acceleration (PGA). Hadi, dkk (2012: 2) menjelaskan bahwa PGA adalah nilai
terbesar percepatan tanah pada suatu tempat yang diakibatkan oleh getaran gempabumi
dalam periode waktu tertentu. Perhitungan percepatan getaran tanah maksimum (PGA)
berdasarkan pendekatan rumus empiris MC Guirre R.K memenuhi persamaan :
α =472,3 𝑥 10 0,278𝑀𝑠
(R+25).1,301 (20)
dengan Ms = magnitudo gelombang permukaan dan R = jarak hiposenter (km).
Getaran yang diakibatkan gempabumi merambat dalam bentuk gelombang seismik.
Haywick (2008: 5) menjelaskan bahwa transmisi energi pada saat terjadi gempa dapat
terjadi melelui media pelapisan di dalam bumi maupun melalui media di permukaan bumi.
Transfer energi yang melalui media pelapisan dalam bumi disebut gelombang badan (body
wave) sementara transfer energi yang melalui media pelapisan permukaan bumi disebut
gelombang permukaan(surface wave).
Besar energi yang dilepaskan pada saat terjadinya gempabumi menurut Akkar
(2011:22) dirumuskan seperti persamaan :
(21)
dimana Es max adalah energi gempa maksimum, k adalah konstanta elastisitas lempeng bumi,
dan U max adalah simpangan maksimum dari lempeng bumi. Charles Francis Richter
bersama Beno Guttenberg pada tahun 1935 memberikan sarana untuk mempermudah
perhitungan dengan menyatakan bahwa jumlah energi yang dilepaskan oleh gempabumi
menurut persamaan Log E = 11,8 + 1,5 M sehingga :
E = 10(11,8+1,5𝑀) (22)
19
dimana, E adalah energi (erg/dyne cm) dan M adalah magnitude.
2.3 Tinjauan Gelombang Gempabumi
Gempabumi dilihat dari asal usulnya terbagi dua, gempabumi akibat fenomena alami
dan gempabumi akibat ulah manusia. Gempabumi akibat fenomena alami meliputi gempa
tektonik, gempa vulkanik, longsor dan badai. gempabumi akibat ulah manusia meliputi efek
ledakan, efek penambangan, perindustrian dan lain sebagainya. Gelombang utama
gempabumi terdiri dari dua tipe yaitu gelombang badan (body wave) dan gelombang
permukaan (surface wave).
2.3.1 Gelombang Badan (Body wave)
Gelombang badan merupakan gelombang yang menjalar melalui lapisan dalam bumi
dan biasanya disebut free wave karena dapat menjalar ke segala arah di lapisan dalam bumi.
Gelombang badan terdiri dari :
2.3.1.1 Gelombang Primer
Gelombang primer seperti pada Gambar 7, disebut juga gelombang P atau
gelombang Compressional. Kecepatannya ±1 - 5 mil/detik (16 - 8 kps), tergantung pada
material yang dilalui gelombang pada saat bergerak. Kecepatan ini lebih besar dari
kecepatan dari gelombang lain, maka gelombang P tiba pertama pada setiap lokasi
permukaan. Gelombang tersebut dapat menjalar sepanjang material padat, cair dan gas,
dengan demikian lintasan sepenuhnya melalui tubuh dari bumi.
Gambar 7. Gelombang primer
20
Ketika gelombang bergerak disepanjang batu karang, gelombang menggerakkan
partikel-partikel batu karang kecil, bolak-balik dan mendorong partikel-partikel terpisah dan
kemudian kembali bersama-sama bergerak searah gelombang tersebut pada saat pergi.
Gelombang ini umumnya sampai di permukaan sebagai satu goncangan (dentuman) yang
kasar.
2.3.1.2 Gelombang Sekunder
Gelombang Sekunder seperti pada Gambar 8, disebut juga gelombang S atau
gelombang Shear, tertinggal sedikit di balik gelombang P. Seperti gerakan pada gelombang
P, gelombang S memindahkan partikel-partikel batu karang keluar dan mendorong partikel-
partikel tersebut tegak-lurus pada jalur dari gelombang S. Hal tersebut mengakibatkan
periode pertama goncangan berhubungan dengan gempabumi.
Gambar 8. Gelombang sekunder
Tidak seperti gelombang P, gelombang S tidak bergerak lurus melalui bumi.
Gelombang tersebut hanya bergerak sepanjang material padat dan akan dihentikan di lapisan
cairan di dalam inti bumi.
2.3.2 Gelombang permukaan
Gelombang permukaan (surface wave) bergerak di atas permukaan bumi.
Gelombang permukaan disebut juga long waves atau simply L waves, yaitu gelombang yang
bertanggung jawab atas kebanyakan dari kerusakan berhubungan dengan gempabumi,
21
karena gelombang terebut menyebabkan vibrasi-vibrasi paling yang kuat. Gelombang
permukaan terdiri dari gelombang Love dan gelombang Railegh
Pengukuran besaran gelombang gempabumi dilakukan dengan menganalisis dan
mengidentifikasi parameter-parameter dalam peristiwa gelombang gempabumi, berikut
merupakan parameter-parameter gempa yang menunjukan ukuran dan kekuatan sumber
gelombang gempabumi :
2.3.3 Intensitas Gelombang Gempabumi Makro (Makroseismik)
Dampak yang ditimbulkan oleh gelombang gempabumi dapat ditentukan dari
intensitas makroseismiknya. Intensitas gelombang gempabumi bergantung pada jarak
sumber makroseismik dan kondisi tanah. Intensitas dapat menjelaskan kekuatan gelombang
gempabumi yang berkaitan dengan persepsi manusia terhadap kerusakan bangunan dan
perubahan lingkungan sekitar. Dari analisis distribusi area tentang pelaporan yang dirasakan
dan kerusakan yang tejadi akibat makroseismik, didapat hubungan empiris dari pengukuran
intrumental terhadap intensitas sumber getaran dapat diperkirakan intensitas di pusat
gempabumi (I0).
2.3.4 Energi dan Magnitudo Gelombang Gempabumi
Magnitudo adalah skala logaritmik kekuatan gempabumi berdasarkan pengukuran
instrumental. Konsep magnitudo pertama di usulkan oleh Richter (1935). Mangnitudo suatu
getaran adalah logaritma amplitudo jejak maksimum yang dinyatakan dalam mikron.
Konsep ini dari pengukuran getaran menggunakan seismometer torsi standar periode pendek
dan merekam kejadian getaran gempa pada jarak episenter 100 km.
Energi magnitudo (Me) ditentukan dengan menghubungkan magnitudo-energi secara
empiris, dari besar hubungan ini dapat diestimasi besarnya energi getaran. Kebanyakan
22
energi getaran terkosentrasi dalam bagian frekuensi yang lebih tinggi, Me lebih cocok untuk
menggukur potensi kerusakan akibat gempabumi.
Ada banyak cara dan presepsi dalam menentukan besarnya magnitudo yang di
hasilkan oleh gelombang gempabumi, Gambar 9 merupakan bentuk gejala gelombang
gempabumi yang di interprestasikan dalam bemtuk grafik getaran.
Gambar 9. Bentuk gelombang gempabumi
Untuk dapat menghitung besar gelombang gempabumi dibutuhkan parameter-
parameter meliputi gelombang primer (P-wave), gelombang sekunder (S-wave), waktu
terjadinya gelombang primer(Tp), waktu terjadinya gelombang sekunder (Ts) serta waktu
ahir terjadinya getaran(Tc).
Gelombang primer adalah gelombang pertama tiba di seismograf. Gelombang
sekunder adalah gelombang transversal geser setelah gelombang Episentrum jarak (dalam
km) dan besarnya gempa (diukur pada skala Richter) dihitung berdasarkan persamaan :
𝐽𝑎𝑟𝑎𝑘 = 𝑃1 ∙ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑝)
𝑀𝑎𝑔𝑛𝑖𝑡𝑢𝑑𝑜 = 𝑃2 ∙ 𝑙𝑜𝑔10 𝑇𝑐 − 𝑇𝑝 + 𝑃3 ∙ 𝐽𝑎𝑟𝑎𝑘 − 𝑃4
𝑃1,𝑃2 ,𝑃3,𝑃4 adalah konstanta yang bergantung pada jenis batu yang dilewati oleh
gelombang gempabumi. Nilai umum yang digunakan 𝑃1 = 7.6, 𝑃2 = 2.31, 𝑃3 = 0,0012, 𝑃4 =
1.0.
23
2.4 Tinjauan Tentang Sensor Fluxgate
Sensor fluxgate adalah sensor magnetik yang bekerja berdasarkan perubahan flux
magnetik disekitar elemen sensor. Hal ini sesuai dengan yang diutarakan Pavel Ripka dan
Alois Tipek, (2007:159) bahwa sensor fluxgate dapat menggukur medan magnet hingga
resolusi 100pT.
Gambar 10. Prinsip sensor fluxgate ( Pavel Ripka dan Alois Tipek, 2007).
Pada prinsipnya sensor fluxgate bekerja akibat adanya perubahan medan pada inti
coil sehingga menghasilkan arus (Iexc). Seperti yang telihat pada Gambar 10.
Salah satu bentuk probe sensor dalam sensor fluxgate adalah berbentuk lurus, probe
ini terdiri dari inti yang terbuat dari logam khusus, kumparan primer dan kumparan
sekunder. Probe yang dirancang di sini adalah probe sensor yang terdiri dua buah inti. Pada
masing-masing inti dililitkan excitation coil dan pick-up coil. Gambar 11 merupakan desain
elemen sensor kumparan pick-up ganda dengan inti berbentuk oval elemen sensor fluxgate
dengan Hexc adalah medan yang dihasilkan oleh kumparan eksitasi, Ho medan eksternal,
Iexc arus yang dialirkan ke kumparan eksitasi, Nexc jumlah lilitan eksitasi, Npc jumlah
lilitan pick-up, Tcore lebar inti feromagnetik, tcore tebal inti, dcoil diameter kumparan, V2m
tegangan keluaran harmonis ke dua dari sensor, dan l panjang sensor.
24
Gambar 11. Desain elemen sensor kumparan pick-up ganda dengan inti
berbentuk oval (Yulkifli, 2010)
Kumparan eksitasi berfungsi sebagai pembangkit medan magnet referensi. Pada
kumparan eksitasi, medan listrik dialirkan dan diubah menjadi medan magnet Besarnya
medan magnet yang timbuI secara matematis dirumuskan pada :
B=µin (16)
µ adalah nilai permeabilitas bahan, i adalah arus yang mengalir, n adalah jumlah lilitan
persatuan panjang. Kumparan sekunder (pick-up coil) adalah kumparan yang berfungsi
untuk mengubah besarnya perubahan medan magnet yang terjadi menjadi besaran listrik.
Besarnya tegangan yang terjadi secara matematika dirumuskan pada persamaan :
𝐸 = −𝑁𝑑𝛷
𝑑𝑙= 𝑁
𝑑(𝐵𝐴)
𝑑𝑙 (23)
Pada kumparan eksitasi, arus yang dialirkan dikendalikan oleh sebuah osilator
frekuensi. Frekuensi osilator ditentukan oleh frekuensi dari kristal untuk fluxgate
magnetometer yaitu 1-20 kHz, di sini digunakan osilator dengan frekuensi 4 kHz, dengan
frekuensi sebesar ini hasil yang diperoleh lebih optimal. Frekuensi yang digunakan untuk
kumparan eksitasi adalah setengah dari frekuensi ini yaitu 2 kHz (f), dan frekuensi 4 kHz
(2f) digunakan untuk detektor fasa.
Pada metoda fluxgate pengukuran kuat medan magnet didasarkan pada hubungan
antara kuat medan magnet yang diberikan dengan flux medan magnet induksi.
25
Gambar 12. Prinsip kerja sensor fluxgate (dimodifikasi dari Grueger, 2000)
Jika yang dihasilkan berasal dari masukan berupa gelombang pulsa bolak-balik,
maka dalam keadaan saturasi pada keluaran akan timbul gelombang harmonik genap,
gelombang harmonik ke dua, yang besarnya sebanding dengan medan magnet luar yang
mempengaruhi inti dan arahnya sebanding dengan arah medan magnet luar. Prinsip
pengukuran ini dapat ditunjukkan Gambar 12.
Gambar 12. menunjukan prinsip kerja sensor magnetik fluxgate. a) Medan eksitasi
tanpa medan magnet luar Bext=0; b) Medan eksitasi dengan medan magnet luar Bext≠0; c)
kurva magnetisasi dalam keadaan saturasi pada Bext=0; d) kurva magnetisasi dalam keadaan
saturasi pada Bext≠0; e) perubahan flux terhadap waktu pada Bext=0; f) perubahan flux
terhadap waktu pada Bext≠0; g) tegangan keluaran sensor pada Bext=0; h) tegangan keluaran
sensor pada Bext≠0 .Karakteristik tegangan keluaran sensor fluxgate dipengaruhi oleh
banyak faktor antara lain : jumlah lilitan eksitasi dan pick-up, jumlah lapisan, dimensi
geometri elemen sensor, sifat dan jenis material inti, frekuensi dan arus eksitasi.
Untuk mengevaluasi tegangan keluaran sensor fluxgate digunakan fungsi transfer.
Fungsi transfer suatu sensor magnetik fluxgate menggambarkan hubungan antara tegangan
keluaran Vo dengan medan magnet yang diukur. Fungsi transfer dapat dihitung
26
menggunakan pendekatan polinomial kemudian mencari komponen frekuensi yang ada di
dalam kerapatan flux magnetik inti sensor. Penggunaan pendekatan polinomial teknik
harmonisa kedua akan memudahkan untuk menyederhanakan fungsi transfer ke dalam
komponen frekuensi (Gopel, et al., 1989). Dengan asumsi bahwa inti (core) sensor bertipe
linear dan medan eksitasi berbentuk sinusoida, maka berdasarkan penurunan inti ini akan
disaturasikan dengan medan eksitasi sinusoida sebagai
tHH refref sinmax
(24)
persamaan (18) akan disuperposisikan dengan medan magnet eksternal. Medan magnet di
dalam inti sensor kemudian akan menjadi
)1(1
sinmax
int
r
refext
D
tHHH
(25)
dengan rμ adalah permeabilitas relatif dan D adalah faktor demagnetisasi untuk inti linear.
Untuk mengukur rapat flux di dalam inti, ada baiknya menormalisasi kuat medan magnet
internal menjadi *0H , dalam bentuk :
0
*
0
)1(12
rn
rnsat DBH
(26)
disini kuat medan magnet dalam inti menjadi
thhH
Hh refext sinmax*
0
int
int
(27)
Komponen harmonisasi kedua sebanding dengan kuat medan magnet luar. Tegangan
keluaran outV dari kumparan sekunder juga sesuai dengan turunan waktu rapat flux di dalam
inti, amplitudo tegangan keluran induksi dilukiskan dengan hukum Faraday
dt
dBNA
dt
dNVout
(28)
27
N adalah jumlah lilitan kumparan sekunder dan A adalah luas bidang potong inti
sensor. Tengangan keluaran kumparan sekunder ternormalisasi vout adalah :
dt
dbB
dt
dB
NA
Vv out
out 0 (29)
Komponen tegangan keluaran harmonisa ke dua Vout2h dari kumparan sekunder adalah :
ωthhNAωABU ref extout 2sin3 2
max30 (30)
tKhV exthout 2sin2 (31)
dengan K adalah tetapan.
2.5 Pengolahan Sinyal Sensor Fluxgate
Sensor fluxgate membutuhkan rangkaian pengolahan sinyal dan elemen fluxgate
yang optimum. Untuk menggolah sinyal sensor dapat terdiri dari beberapa bagian
rangkaian, yaitu diffrensiator, detektor, sinkronisasi fasa, integtrator, dan penguat akhir.
Secara skematik diagram pengolah sinyal terlihat pada Gambar 13 :
Gambar 13. Skema diagram pengolahan sinyal (Yulkifli,2010)
Bagian-bagian dari diagram pengolah sinyal tersebut sebagai berikut :
2.5.1 Rangkaian Eksitasi Sensor Fluxgate
2.5.1.1 Osilator dan Pembagi Frekuensi
Osilator merupakan piranti elektronik yang menghasilkan keluaran berupa isyarat
28
tegangan. Osilator digunakan secara luas sebagai sumber isyarat untuk menguji rangkaian
elektronik. Osilator seperti ini disebut pembangkit isyarat, atau pembangkit fungsi jika
isyarat keluarannya dapat mempunyai berbagai bentuk (Sutrisno,1987).
Osilator dalam pembuatan sensor magnetik fluxgate merupakan rangkaian dasar
yang sangat penting. Osilator berfungsi sebagai sinyal eksitasi yang akan diberikan pada
lilitan eksitasi (Wandy, 2008). Hal ini disebabkan karena stabilitas dari frekuensi medan
yang dihasilkan tergantung kepada stabilitas osilator. Untuk mendapatkan kestabilan maka
digunakan kristal. Rangkaian osilator dengan menggunakan kristal dapat dilihat pada
Gambar 14.
Gambar 14. Rangkaian osilator kristal dan IC CD 4060 (Wandy, 2008)
2.5.1.2 Rangkaian Penyangga (Buffer)
Rangkaian penyangga atau buffer ini berguna untuk menghindari terjadinya jatuh
tegangan. Rangkaian buffer yang ideal memiliki penguatan satu dengan impedansi masukan
yang sangat besar dan impedansi keluaran yang sangat kecil.
29
Gambar 15. Op-amp yang berfungsi sebagai buffer sinyal
Hambatan yang terdapat di dalam detektor fasa tidak akan mengurangi besar
tegangan sinyal yang keluar dari detektor tersebut. Pada akhirnya penambahan buffer akan
menjadikan keluaran sistem sensor menjadi lebih stabil dari yang sebelumnya. Susunan
buffer sama seperti Gambar 15.
2.5.1.3 Pembangkit Sinyal Eksitasi
Pembangkit sinyal eksitasi merupakan bagian yang penting dalam rangkaian
eksitasi. Sinyal eksitasi harus memiliki tegangan yang cukup untuk menggerakkan lilitan
eksitasi, ini diperlukan agar sinyal dapat mensaturasi inti Vitrovac 6025. Bila hal ini tidak
dipenuhi maka sensor tidak akan bekerja dengan baik karena memiliki efek memori.
Rangkaian generator sinyal eksitasi ini terdiri dari induktor, resistor dan kapasitor, seperti
pada Gambar 16.
Gambar 16. Rangkaian generator sinyal eksitasi (Wandy, 2008).
2.5.2 Rangkaian Pengolah Sinyal
2.5.2.1 Penguat Awal
Rangkaian penguat yang digunakan adalah penguat differensial. Penguat ini
berfungsi sebagai pendiferensial sinyal yang keluar dari elemen sensor. Rangkaian ini
mempunyai dua masukan, karena digandeng langsung, sinyal masuknya dapat mempunyai
30
frekuensi sampai nol, artinya sama dengan DC. Rangkaian ini bersifat simetris, akibatnya
tegangan keluar berharga nol bila dua masukkannya sama (Malvino, 1985).
Rangkaian pengolah sinyal sensor fluxgate ini, penguat awal berfungsi untuk
memperkuat sinyal yang diterima oleh pick-up (Yulkifli,2011). Dalam keadaan tanpa adanya
medan magnetik luar, penjumlahan arus yang melewati lilitan pick-up sensor akan sama
dengan nol. Ketika diganggu dengan medan magnetik luar, maka terdapat perbedaan arus
diujung lilitan pick-up. Selisih arus pada ujung-ujung kumparan pick-up dirubah menjadi
tegangan oleh penguat awal yang berbentuk integrator dan sekaligus diperkuat. Blok dasar
rangkaian penguat awal seperti Gambar 17.
Gambar 17. Rangkaian penguat awal (Yulkifli, 2011)
2.5.2.2 Detektor Sinkronisasi
Detektor fasa (sinkronisasi), bagian ini berfungsi untuk mendeteksi fasa dari sinyal
yang masuk dari penguat awal, detektor ini akan meneruskan sinyal dengan frekuensi
harmonisasi ke dua dengan menggunakan frekuensi referensi osilator (fo) sebelum dibagi
dua oleh pembagi frekuensi, sementara itu harmonisasi ganjil dan yang lain tidak diteruskan.
31
Gambar 18. Rangkaian detektor fasa ketika keluaran sensor positif (Yulkifli, 2011)
2.5.3 Integrator
Menurut Malvino (1985), sebuah rangkaian integrator adalah rangkaian yang
menyelenggarakan operasi integrasi secara matematik karena dapat menghasilkan tegangan
keluar yang sebanding dengan integral masukan.
Rangkaian integrator berfungsi sebagai pengintegrasi keluaran sekaligus sebagai
tapis lolos rendah. Jika domain yang digunakan adalah domain frekuensi maka ia berfungsi
sebagai tapis, namun bila domain waktu yang digunakan maka rangkaian tersebut sebagai
integrator. Integrator yang digunakan dalam rangkaian ini adalah integrator pasif (Wandy,
2008). Bentuk rangkaiannya ditunjukkan pada Gambar 19.
Gambar 19. Rangkaian integrator (Wandy, 2008).
2.5.4 Penguat Akhir
Sinyal yang keluar dari integrator masih lemah dan perlu diperkuat agar dapat
32
diukur. Ada dua macam penguat yang dapat digunakan yaitu penguat instrumentasi dan
penguat inverting dan non-inverting. Penguat yang digunakan di sini adalah penguat
inverting atau penguat membalik. Penguat tegangan membalik menghasilkan tegangan
keluar yang sefasa dengan tegangan masuk. Rangkaian ini adalah pengubah arus ke
tegangan yang digerakkan oleh sumber tegangan dan bukan sumber arus (Malvino, 1985).
Blok rangkaian penguat akhir seperti Gambar 20.
Gambar 20. Blok diagram penguat akhir (Wandy, 2008)
Pada penguat akhir, keluaran dari tapis lolos rendah diatur penguatannya. Rangkaian
ini diperlukan untuk mengkalibrasi keluaran sensor magnetik agar sesuai dengan medan
magnet yang dideteksi oleh sensor. Penguat ini merupakan penguat tak membalik, dimana
penguatanya diatur dengan resistor variabel 1 (VR1). Penguatan minimal dari penguat akhir
sama dengan 1.
Keseluruhan bagian yang telah dirangkai ini bekerja secara analog. Keluaran yang
diperoleh dari rangkaian ini berupa tegangan analog yang merepresentasikan besar medan
magnetik yang dideteksi.
2.6 Tinjauan Sensor Fluxgate yang digunakan
Kemampuan sensor fluxgate untuk mengukur medan magnet juga dapat
diaplikasikan untuk sensor jarak dengan menempatkan sensor dan material magnet pada
posisi tertentu, respon dari sensor terhadap benda dapat mengindikasikan posisi dari benda
33
magnet tersebut. Seperti ditunjukan pada Gambar 21.
Gambar 21. Prinsip pengukuran jarak dengan fluxgate (Yulkifli, 2010)
Jika probe sensor digerakan menjauhi atau mendekati material magnet sejauh x,
maka medan magnet yang bekerja pada titik probe sensor akan terjadi perubahan, perubahan
tersebut disebut fluks magnetik (ɸ). Perubahan fluks magnet tergantung pada posisi sensor
terhadap objek magnet. Jika 𝑑𝐴 adalah elemen vektor luas dan 𝐵 adalah elemen vektor
medan magnet, maka fluks maknet yang keluar dipermukaan medan adalah :
Φ = 𝐵 ∙ 𝑑𝐴 (32)
jika magnetik material adalah B, maka medan magnetik yang dideteksi oleh sensor pada
jarak x adalah :
𝐵𝑟 ∝𝐵
𝑥 (33)
Berdasarkan persamaan 26 terlihat bahwa penurunan medan magnet sebanding
dengan 1/x, sedangkan tegangan keluaran sensor sebanding dengan medan external, dengan
demikian dapat disimpukan tegangan keluaran sensor dapat dapat dihubungakan dengan
medan external dan jarak (Yulkifli,2010)
2.7 Power Supply
Power supply merupakan suatu peralatan yang sangat penting karena hampir semua
peralatan elektronika memerlukan tegangan DC untuk mengoperasikannya. Power supply
(catu daya) adalah suatu yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Catu daya
teregulasi dapat dibangun dari IC regulator tegangan. IC regulator tegangan ini diantaranya
34
adalah 78xx dan 79xx. Hal ini juga dinyatakan Sutrisno (1999:80) bahwa regulasi tegangan
yang tidak terlalu ketat kita dapat gunakan regulator tegangan IC tiga terminal. Regulator ini
dikenal dengan 78xx dan 79xx. Regulator IC 78xx adalah adalah regulator tegangan positif
untuk xx volt, sedangkan 79xx adalah regulator tegangan negatif untuk xx volt.
Agar mendapatkan tegangan teregulasi dibutuhkan IC reglator yang terdiri dari tiga
terminal, sebagai contoh untuk mendapatkan tegangan regulasi +12 Volt dan +5 Volt
digunakan IC 7812 dan 7815 yang aplikasinya seperti pada Gambar 22.
Tegangan AC yang diturunkan dengan menggunakan transformator kemudian
disearahkan dengan menggunakan empat dioda yang membentuk penyearah sistem
jembatan. Keluaran dari penyearah dihubungkan dengan kapasitor sebagai filter, sehingga
dihasilkan tegangan keluaran DC tak teregulasi, kemudian digunakan dua IC regulator 12
Volt dan 5 Volt.
Gambar 22. Rangkaian catu daya teregulasi
Tegangan dua IC regulator akan digunakan dalam sistem alat ukur getaran gempa,
misalnya tegangan +5 Volt untuk mengoperasikan mikrokontroler dan tegangan 12 Volt
digunakan untuk pengolahan modul pada sensor fluxgate.
2.8 Mikrokontroler PIC 18F4550
35
Mikrokontroler PIC 18F4550 merupakan mikrokontroler produksi Microchip dengan
sistem mikrokontroler 8 bit, dikemas dalam bentuk 40 pin dan dirancang dengan teknologi
nanoWatt artinya chip 18F4550 bekerja dengan konsumsi daya sangat rendah. Fitur yang
dimiliki juga cukup lengkap terdiri dari Flash Memori 32 Kbyte, Memori Data 4096 Byte,
ADC (Analog Digital Converter) internal ketelitian 10 bit sebanyak 13 saluran, memiliki
PWM (Pulse Wide Modulation) internal sebanyak 4 saluran, dan portal komunikasi serial
(USART) dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps, serta fitur USB V2.0 yang mendukung
Komunikasi Data Low Speed (1,5 Mbit/s) dan Full Speed (12 Mbit/s). Konfigurasi pin PIC
18F4550 diperlihatkan pada Gambar 23.
Gambar 23. Pin mikrokontroler PIC 18F4550
Dari Gambar 23 dapat dilihat konfigurasi pin mikrokontroler PIC 18F4550. Nama-
nama pin mikrokontroler ini adalah :
1) VDD untuk tegangan pencatu daya positif.
2) VSS untuk tegangan pencatu daya negatif.
3) PortA (RA0 – RA5) sebagai port digital Input/Output dan memiliki kemampuan lain
yaitu sebagai input untuk ADC
36
4) PortB (RB0 – RB7) sebagai port Input/Output dan juga memiliki kemampuan yang lain.
5) PortC (RC0 – RC2 dan RC4-RC7) sebagai port digital Input/Output
6) PortD (RD0 – RD3 dan RD4-RD4) sebagai port digital Input/Output dan juga memiliki
kemampuan yang lain.
7) PortE (RE0 – RE2) sebagai port digital dan analog Input/Output dan juga memiliki
kemampuan yang lain.
8) RESET untuk melakukan reset program dalam mikrokontroler.
9) XTAL1 dan XTAL2 untuk input pembangkit sinyal clock, AREF untuk pin tegangan
referensi ADC.
Mikrokontroler PIC 18F4550 juga sudah dilengkapi fitur ADC dengan resolusi
10/8 bit, 8 chanel input yang terletak di PortA dan PortB, input yang berupa tegangan 0
sampai 5 volt dapat langsung dihubungkan ke mikrokontroler ini melaui salah satu Port
ADC.
Sinyal input yang berupa tegangan tersebut kemudian dikonversi menjadi data digital
oleh mikrokontroler PIC 18F4550. Dalam aplikasi ini mengunakan internal ADC dengan
resolusi 10 bit jadi jika sinyal input berupa tegangan 0 volt maka data digital yang dihasilkan
adalah 00 sedangkan jika sinyal input berupa tegangan 5 volt maka data digital yang
dihasilkan adalah FF Hexa. Ketika menggunakan internal ADC dengan resolusi 10 bit maka
internal ADC tersebut mempunyai ketelitian sebesar 0.02 volt atau 20 milivolt. Nilai
ketelitian didapat dengan perhitungan berikut ini :
𝐾𝑒𝑡𝑒𝑙𝑖𝑡𝑖𝑎𝑛 =𝑉𝑟𝑒𝑓
𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎 𝑏𝑖𝑡
Dengan mendapatkan nilai ketelitian, maka akan dapat diketahui berapa volt
tegangan yang tegangan yang diukur.
𝑇𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 = 𝑑𝑎𝑡𝑎 𝐴𝐷𝐶 ∗ 𝑘𝑒𝑡𝑒𝑙𝑖𝑡𝑖𝑎𝑛
37
2.9 Interfacing kontrol
Untuk dapat membuat alat ukur yang bekerja secara optimal dibutuhkan
pengontrolan komunikasi antara komponen lektronika maupun operator yang sistematis.
Pengontrolan meliputi pengukuran dan sistem akuisisi data secara luas didasarkan pada
pembagian tugas sebuah sistem antara sejumlah node (misalnya sensor, aktuator,
pengontrolan), dengan saling berhubungan menggunakan jaringan komunikasi yang tepat.
2.10 Sensor interface
Sebuah interface adalah sistem yang terdiri dari blok rantai analog dan digital,
masing-masing menyediakan fungsi tertentu. Gambar 24 menunjukkan struktur dari sebuah
inteligen sensor. Tentu saja, tidak semua intelligent sensor berisi bentuk blok yang sama, itu
tergantung pada jenis sensor dan fungsionalnya.
Gambar 24. Struktur interface intelligent sensor
Sensor atau transduser biasanya menyediakan beberapa kuantitas output listrik
(misalnya tegangan, arus atau impedansi), tergantung pada nilai diukur fisik “kuantitas”
(baik listrik atau bukan listrik). Banyak jenis sensor memerlukan eksternal eksitasi, biasanya
listrik, terkadang juga berupa output mekanik. Sebuah blok pengkondisi sinyal dapat
38
memberikan amplifikasi, penyaringan, non-linear koreksi dan fungsi yang sama. Biasanya
mereka diimplementasikan menggunakan sirkuit analog, dapat juga berupa implementasi
digital (terutama fungsi tertentu seperti koreksi nonlinier atau kompensasi pengaruh
lingkungan). Sebuah blok A/D converter mengubah sinyal analog menjadi nilai digital,
cocok untuk diproses oleh mikroprosesor atau perangkat digital lainnya. Blok berikut
diterapkan baik pada perangkat keras digital (ASIC, PLD) atau dalam perangkat lunak
terproses pada mikrokontroler. Pengolahan data online dan blok kontrol menyediakan
bagian dari pengkondisian sinyal, dan untuk beberapa jenis sensor ini mengontrol parameter
eksitasi atau proses pengkondisian sinyal analog(deteksi sinkron misalnya). Pada data
offline blok pengolahan menerima nilai-nilai sesaat dari jumlah yang diukur. Hal ini lebih
berfokus pada penyimpanan data, pembuatan laporan, evaluasi, dll.
Dua blok yang terakhir dikenal bagi pengguna sebagai HMI (Human Machine
Interface) yang memungkinkan kontrol sensor lokal, data keluaran, dan blok komunikasi
memberikan interkoneksi kepada sistem kontroler yang terdistribusi. Beberapa intelligent
biasa juga mengandung sensor tambahan yang mengukur bentuk fisik lain dari perubahan
output sensor utama.
2.10.1 Sensor dan transduser
Sejumlah listrik pada output sensor yang digunakan untuk diproses lebih lanjut
dalam blok sinyal A/D dapat dibagi menjadi beberapa kelompok terlepas dari besaran fisik
asli yang diukur. Cara sinyal keluaran sensor diproses di blok sinyal A/D seringkali mirip
dalam suatu kelompok tertentu.
2.10.2 Pengkondisian sinyal
Sebuah blok sinyal A/D terutama digunakan untuk mengekstrak informasi tentang
kuantitas yang diukur dari sinyal output sensor dan mencocokkannya dengan input dari blok
39
– dengan sebuah A/D converter. Ini biasanya menerapkan beberapa fungsi - amplifikasi dan
konversi sinyal, isolasi sensor, filtrasi, deteksi, non-linearitas koreksi, dan koreksi pengaruh
lingkungan
2.10.3 A/D Converter
Inteligen sensor biasanya menggunakan salah satu dari tiga jenis A/D converter.
SAR(Successive Approximation Register) konverter, modulasi Sigma/ Delta konverter, dan
Flash (pipelined flash) converter.
2.10.4 Pengolahan data
Diagram blok pada Gambar 24, pengolahan data terdiri dari dua bagian. Data Online
lebih dapat dianggap sebagai bagian dari pengolahan sinyal AC, biasanya sebuah fungsi
yang dimiliki blok itu dalam domain digital. Kadang-kadang digunakan untuk mengontrol
pengkondisian signal sirkuit analog atau eksitasi sensor. Karena bekerja secara real-time,
pelaksanaannya harus cukup cepat untuk dapat memproses data dan untuk mengontrol
proses pengukuran keseluruhan.
Data Offline, pengolahan data kemudian menyediakan lebih banyak fungsi yang
berguna untuk pengguna, seperti penyimpanan data, rata-rata, nilai, batas persimpangan
deteksi, evaluasi dan sebagainya. Fungsi-fungsi ini biasanya hanya termasuk dalam sensor
dengan interface komunikasi baik itu manusia atau digital.
2.10.5 Interface “Manusia-Machine”
Inteligen sensor modern hampir selalu dilengkapi dengan komunikasi interface
interface pengguna lokal memungkinkan sensor untuk dibaca bahkan dalam kasus kerusakan
sistem komunikasi dan juga menjamin bahwa operator manusia dapat memonitor output.
Biasanya hanya informasi dasar yang tersedia tentang besaran fisik yang diukur pada
40
suatu nilai. Kadang-kadang pengguna dapat memilih nilai yang ingin ditampilkan (misalnya
maksimum, minimum, rata-rata) atau mengatur beberapa parameter pengukuran (misalnya
batas darurat). Pengaturan kritis sering dilindungi oleh password atau dapat dikunci dan
dibuka pada jarak jauh.
2.10.6 Komunikasi interfacing
Interfacing komunikasi tidak hanya titik (konektor) dimana sistem terdistribusi
(misalnya jaringan sensor) terhubung. Hal ini juga terdiri dari kompleks tumpukan hardware
dan lapisan software yang memastikan interoperabilitas dengan seluruh sistem. Ada standar
yang berbeda dari jaringan sensor, aplikasi masing-masing setelan kelas tertentu dan
berfokus pada cabang tertentu dari industri.
2.11 Bahasa C# (Dibaca “See-Sharp”)
Dalam pembuatan alat ukur getaran display personal computer (PC) yang dapat
ditampilkan secara real time dibutuhkan interfacing antara manusia-mesin dengan
mggunakan bahasa pemograman. Bahasa pemograman yang digunakan pada pembuatan alat
ini menggunakan bahasa C#. C# adalah bahasa pemograman baru yang diciptakan oleh
Microsoft seperti halnya bahasa pemograman yang lain, C# bisa digunakan untuk
membangun berbagai macam jenis aplikasi, seperti aplikasi berbasis windows (desktop) dan
aplikasi berbasis web serta aplikasi berbasis web services.
2.11.1 Feature dalam C#
Sebagai bahasa pemograman baru C# banyak mengadopsi feature dari beberapa
bahasa perogrmaan terkenal dan banyak komunitasnya tetapi yang paling dominan adalah
Java adapun komposisinya adalah sebagai berikut 70% Java, 10% C++, 5% Visual Basic,
15% baru.
41
2.11.2 Key word C#
C# adalah bahasa pemograman yang menggunakan jumlah kata-kata yang tidak
terlalu banyak. C# hanya berisi kata-kata yang biasa disebut dengan keywords. Keywords
ini digunakan untuk menjelaskan berbagai macam informasi. Berikut daftar keywords yang
ada dalam bahasa C# : bstract, as, base, bool, break, byte, case catch, char, checked, class,
const, continue, decimal, default, delegate, do, double else, enum, event, explicit, extern,
false, finally, fixed, float, for, foreach, goto, if, implicit, in, int, interface, internal, is, lock,
long, namespace, new, null, object, operator, out, override, params, private, protected,
public, readonly, ref, return sbyte, sealed, short, sizeof, stackalloc, static, stringstruct,
switch this, throw, true, try typeof, uint, ulong, unchecked, unsafeushort, using, virtual,
void, while.
2.11.3 Penulisan Kode C#
Langkah-langkah penulisan kode C#
Kode program diawali dengan mendeklarasikan nama Class atau namespace
Aplikasi dibuka dengan tanda “{“ dan pada akhir kode ditutup dengan tanda “}”.
Aplikasi C# dibangun oleh satu atau beberapa fungsi yang diletakan di dalam sebuah
Class dengan ketentuan sebagai berikut.
Nama suatu fungsi pada C# harus diawali dengan huruf, atau garis bawah “_” yang
kemudian bisa diikuti oleh huruf, angka atau garis bawah.
Pada bagian akhir nama fungsi digunakan tanda kurung buka dan kurung tutup “()”.
Penamaan fungsi tidak boleh mengandung spasi. Awal dan akhir suatu fungsi di mulai
dengan tanda “{“ dan diakhiri dengan tanda “}”.
Penulisan komentar ( tulisan yang tidak di eksekusi) dapat dibuat sebagai berikut
Komentar satu baris dengan menggunakan tanda “//”
Komentar yang lebih dari satu baris dengan di awali tanda “/*” dan diakhiri oleh “*/”
Contoh program yang paling sederhana untuk file Hallo.cs class HelloWorld
{
42
// Bagian utama program C# x ini adalah contoh komentar 1 baris
public static void Main()
{
System.Console.WriteLine(“Hello, World”);
}
BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
3.1 TUJUAN PENELITIAN
Secara umum penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan suatu alat ukur getaran
berbasis sensor fluxgate dengan display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi,
namun secara khusus tujuan dari penelitian ini adalah :
c. Menjelaskan spesifikasi desain alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate dengan
display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi.
d. Menjelaskan spesifikasi performansi alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate dengan
display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi.
3.2 MANFAAT PENELITIAN
Hasil dari penelitian ini diharapkan memberikan kontribusi pada :
a. BMKG, dengan menyempurnakan alat ini dapat menambah referensi alat ukur standar
untuk gempabumi.
b. Peneliti lain, sebagai sumber ide dan referensi untuk mengembangakan alat ukur
berbasis sensor fluxgate.
c. Jurusan fisika, sebagai instrumen alternatif yang dapat digunakan pada laboratorium
fisika khususnya Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi dan geofisika.
d. Pembaca, untuk menambah pengetahuan dan memperluas wawasan dalam bidang kajian
elektronika dan dalam upaya pengembangan instrumentasi berbasis elektronika
43
BAB 4. METODE PENELITIAN
4.1 Tempat dan waktu penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Jurusan
Fisika Universitas Negeri Padang. Penelitian dilakukan pada bulan Mei sampai Desember
2014 dengan beberapa tahap kegiatan, yaitu meliputi penulisan proposal penelitian,
perancangan sistem, perakitan komponen, pembuatan program pembacaan data,
pengambilan data dan analisa data.
4.2 Jenis Penelitian
4.2.1 Variabel Penelitian
Variabel penelitian adalah segala sesuatu yang akan menjadi objek penelitian atau
faktor-faktor yang berperan penting dalam peristiwa atau gejala yang akan diteliti.
Pembuatan alat ukur getaran menggunakan sensor fluxgate untuk mengukur getaran bumi
terdiri dari tiga variabel, yaitu variabel bebas, variabel terikat dan variabel kontrol. Variabel
bebasnya adalah lengan penggetar. Variabel terikatnya adalah banyak getaran impuls,
sedangkan variabel kontrol adalah berupa komponen elektronika yang digunakan.
4.2.2 Model Penelitian
Berdasarkan masalah yang dikemukakan dalam penelitian ini, model penelitian yang
akan dilakukan tergolong kedalam penelitian eksperimen laboratorium (laboratory
experimentation). Eksperimen ini dilakukan survei kepustakaan yang relevan,
mengidentifikasi variabel-variabel utama, menentukan rancangan eksperimen, merakit alat,
mengambil data dan menganalisis data.
44
4.3 Alat dan bahan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari PC, downloader,
multimeter analog dan digital. PC digunakan dalam pembuatan program mikrokontroler
dengan menggunakan software MPLAB X IDE V1.70. Downloader memprogram
mikrokontroler menggunakan K510 Programmer. Multimeter digunakan mengukur nilai
komponen yang akan digunakan seperti resistor dan nilai tegangan keluaran rangkaian
elektronika.
Komponen yang digunakan dalam pembuatan alat ukur getaran gempabumi meliputi
kapasitor, resistor, IC mikrokontroler, sensor fluxgate, dan komponen pendukung lainnya.
Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan alat ini diantaranya magnet, pegas dan
bahan pendukung lainnya.
4.4 Desain Penelitian
4.4.1 Perancangan Sistem Mekanik
Sistem mekanik pada perancangan prototipe alat ukur ini menggunakan beberapa
komponen yaitu, pegas, lengan pengayun, magnet, sensor fluxgate konektor. Komponen-
komponen tersebut dirakit seperti pada Gambar 25.
Gambar 25. Bentuk rancangan sistem mekanik pada sensor alat.
Gambar 25 memperlihatkan sensor akan merespon medan magnet yang terletak di
45
ujung lengan ayun, lengan ayun pada sisi yang lain dihubungkan dengan pegas, jika saat
diberi respon getaran maka magnet pada ujung lengan ayun akan bergetar yang besarnya
setara dengan respon yang diberikan dikurangi dengan efek redaman akibat gesekan dan
redaman pegas hal ini seperti yang terlihat pada Gambar 1.
4.4.2 Desain rangkaian elektronika pembangun pembuatan alat ukur getaran berbasis
sensor fluxgate dengan display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi.
Sistem prototipe alat ukur ini terdiri dari rangkaian power supply, sensor fluxgate,
rangkaian pengkondisian signal, rangkaian mikrokontroler PIC 18F4550 dan sebuah PC
yang telah dilengkapi oleh program software interfacing seperti software programmer visual
C# serta software MPLAB X IDE. Blok diagram dari sistem alat ukur diperlihatkan pada
Gambar 26.
Gambar 26. Blok diagram sistem
Pada blok diagram di atas dapat dijelaskan bahwa pada sistem prototipe alat ukur
getaran gempa ini, power supply digunakan sebagai catudaya pada komponen alat ukur
getaran, sinyal input yang diberikan berasal dari sensor fluxgate. Pada saat sensor
mendeteksi adanya getaran yang ditibulkan oleh lengan getar maka sinyal ini akan diproses
oleh blok rangkaian pengkondisi sinyal pada Gambar 26, setelah sinyal yang diperoleh dari
sensor fluxgate diproses, maka rangkaian pengkondisi sinyal akan meneruskan data ke blok
rangkaian Analog Digital Converter(ADC), pada blok ADC yang merupakan bagian dari
fitur mikrokontroler PIC 18F4550, sinyal analog diubah kebentuk sinyal-sinyal digital dan
kemudian sinyal digital dikirim ke PC untuk diolah menggunakan software aplikasi yang
Power Suplay
Sensor
Fluxgate
Pengkondisian
Sinyal
Power Suplay (PC)
Mikrokontroller
ADC
Software
interfacing
46
diprogram untuk menyimpan serta menggolah data penggukuran, PC digunakan sebagai
pengolah data digital yang dikirim dari mikrokontroler. Sinyal digital diolah dan diplot
dalam bentuk grafik menggunakan software aplikasi yang dibuat dengan menggunakan
software C#. Tampilan besaran yang diolah akan menunjukan nilai variabel-variabel getaran
gempabumi yang terjadi.
4.4.3 Desain cashing prototipe alat
Desain cashing prototipe alat seperti pada Gambar 27 meliputi desain modul
penggolahan sinyal. Modul pengolahan sinyal berfungsi sebagai modul penerima sinyal dari
sensor dan sinyal dari sensor akan diproses hingga nantinya akan di teruskan ke PC.
Gambar 27. Cashing prototipe alat
Gambar 27 memperlihatkan pada cashing terdapat Pin sensor dan Programmer yang
berfungsi sebagai pin input dari sensor fluxgate serta juga dapat digunakan sebagai Pin
untuk memprogram mikrokontroler pada modul alat. Pin USB berfungsi sebagai konektor
penghubung antara modul dan PC, terhubung atau tidaknya konektor ini di tandai oleh LED
indikaor USB. Socket PLN berfungsi sebagai konektor kabel PLN yang digunakan sebagai
sumber listrik pada modul. Saklar power digunakan untuk mengaktifkan dan mematikan
sumber listrik yang telah dihubungkan dengan PLN.
4.4.4 Desain perangkat lunak
Desain perangkat lunak meliputi algoritma rancangan program alat ukur dalam
47
bentuk flowchart. Perancangan program dimulai dari pembuatan program untuk
mikrokontroler dengan menggunakan software MPLAB yang menggunakan bahasa C dan
pembuatan program aplikasi alat pada PC menggunakan software C#. secara garis besar
flowchart alat ukur getaran untuk aplikasi gempabumi ini seperti terlihat pada Gambar 28.
Gambar 28. Flowchart alat ukur getaran untuk aplikasi gempabumi
Berdasarkan Gambar 28 dapat dijelaskan bahwa saat program aplikasi alat ukur di
jalankan terutama sekali akan menginisialisasi perangkat alat ukur, perangkat akan
terhubung ditandai dengan aktifnya mikrokontroler. Pada mikrokontroler diprogram proses
timbal balik pengiriman dan pemerimaan data ke PC, data tersebut merupakan data mentah
yang didapat dari sensor fluxgate. Data yang diterima dari perangkat mikrokontroler
langsung disimpan pada data base yang telah disediakan pada PC. Proses selanjutnya
merupakan proses pengolahan data yang tersimpan pada data base, proses ini akan mengolah
nilai data dari data base kemudian data yang telah diolah dapat ditampilkan dan disimpan.
4.5 Prosedur Penelitian
Prosedur pelaksanaan penelitian adalah sebagai berikut : Langkah awal dari
48
penelitian ini adalah merakit komponen yang telah ditentukan sesuai dengan instrument
yang telah dirancang dan memprogram mikrokontroler. Untuk mendapatkan data yang
sesuai dengan tujuan penelitian dapat dikemukakan rancangan pengukuran dan pengukuran
dalam penelitian. Adapun prosedur pengukuran dalam penelitian ini meliputi :
4.5.1 Penentuan spesifikasi performansi sistem alat ukur
Penentuan spesifikasi performansi pada prototipe sistem alat ukur ini dilakukan
dengan mengidentifikasi fungsi-fungsi pada setiap bagian penyusun dari sistem alat ukur
dengan cara melakukan pemotretan setiap bagian sistem prototipe alat ukur gempabumi
serta menjelaskan fungsi-fungsi dari setiap bagian tersebut.
4.5.2 Penentuan spesifikasi desain pengukuran sistem
Penentuan spesifikasi desain pengukuran pada prototipe sistem alat ukur ini
dilakukan dengan menganalisa sistem kerja alat dimulai dari antar muka antar hardware,
meneliti sensitifitas sensor fluxgate terhadap jarak dan material magnet pada mekanik
sensor.
4.5.2.1 Perancangan sistem antarmuka pada hardware agar dapat beroperasi antara
komponen yang satu dan lainya.
Perancangan sistem antar mungka (interfacing) melibatkan pemograman yang
dirancangang untuk menjalankan perangkat secara keseluruhan, mulai dari bagai mana
perangkat dapat menerima data hingga dapat ditampilkan dan dapat dianalisa dan dimengerti
oleh operator (manusia). Ada dua buah antar muka utama yang melibatkan alat ukur ini :
a. Pertama proses pengambilan data, proses pengambilan data melibatkan pemograman
kepada mikrokontroler serta transver data ke PC
b. Proses penampilan data, proses penampilan data melibatkan pemograman pada PC
hingga data yang didapat mampu dianalisa dan dimengerti oleh operator.
49
4.5.2.2 Pengukuran sensitifitas sensor fluxgate terhadap jarak dan material magnet
pada mekanik sensor
Sensitifitas sensor fluxgate terhadap jarak material magnet diperlukan untuk
menyelidiki besar simpangan yang dapat terekam oleh alat ukur nantinya. Sehingga kita
dapat menentukan resolusi kesensitifan alat terhadap simpangan yang terekam. Adapun
langkah-langkah dalam menentukan resolusi kesensitifan pada sistem ini adalah :
a. Mengukur simpangan maksimum pada mekanik getar dengan alat ukur jarak.
b. Memposisikan sensor pada jarak minimum mekanik getar lalu ambil data conting
yang terekam.
c. Memposisikan sensor pada jarak maksimum mekanik getar lalu ambil data
counting yang terekam.
d. Menentukan selisih dari data counting yang terekam, lalu simpangan yang
terukur dibagi dengan selisih data counting. Akan didapat range simpangan
minimal yang dapat diukur oleh alat ukur
4.5.2.3 Penentuan pola gelombang sistem pengukuran alat ukur
Penentuan pola gelombang sistem pengukuran alat ukur pada sistem pengukuran ini
dengan cara membandingkan hasil pengukuran dari sistem dengan hasil pada alat ukur
standar (seismograf) berupa perbandingan pola yang terbentuk oleh alat ukur. Adapun
langkah-langkah dalam menentukan pola gelombang pada sistem ini adalah :
a. Menset dan mengaktifkan alat ukur getaran gempabumi real time PC
menggunakan sensor fluxgate berkerja secara benar dan normal lalu data
pengukuran disimpan.
b. Menset dan mengaktifkan alat ukur getaran gempabumi real time PC
menggunakan sensor fluxgate berkerja secara benar dan normal lalu beri usikan
berupa hentakan pada jarak tertentu dari alat ukur lalu simpan data pengukuran.
50
c. Melakukan pengulangan pengukuran pada poin (b) dengan hentakan yang sama
sebanyak 5 kali pengukuran.
d. Melakukan pengulangan pengukuran pada poin (b) dengan variasi jarak.
e. Bandingkan hasil pengamatan dengan data salah satu stasiun pengamat
gempabumi.
4.6 Teknik Pengumpulan Data
Teknik pengumpulan data pada penelitian ini dilakukan melalui pengukuran besaran
fisika yang terdapat dalam sistem alat ukur getaran, kemudian diolah dan diinterprestasikan
menggunakan personal computer (PC). Teknik pengukuran yang dilakukan yaitu secara
langsung dan tidak langsung, pengukuran secara langsung artinya pengukuran yang tidak
bergantung pada besaran-besaran lainnya. Pengukuran tidak langsung artinya pengukuran
suatu besaran yang nilainya dipengaruhi besaran-besaran lain dan nilainya tidak langsung
didapat. Data yang didapat secara langsung adalah besar tegangan keluaran yang dihasikan
oleh sensor fluxgate yang telah berbentuk digital dan data waktu, sedangkan data yang
diperoleh secara tidak langsung adalah analisa pola data grafik alat dari sistem alat ukur.
4.7 Analisis data
Analisis data dilakukan untuk mendapatkan kesimpulan, pada penelitian ini
dilakukan analisis terhadap desain, software dan data hasil pengukuran. Analisis data hasil
pengukuran didapat dengan cara menganalisa bentuk pola grafik getaran dan
membangdingkan pola gelombang yang terekam oleh alat ukur getaran menggunakan sensor
fluxgate dengan display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi dengan pola
gelombang yang tercatat oleh seismograf. Kemudian ambil kesimpulan terhadap grafik yang
terekam sesuai dengan teori.
51
52
BAB 5. HASIL YANG DICAPAI
Pada laporan kemajuan ini yang ditampilkan hanya bab IV antara lain rancangan alat satu
dimensi dan pengujian skala labor, hasil pengukuran dengan alat standar di BMKG padang
panjang, bagian ini telah meluluskan seorang mahasiwa S1 Fisika (judul terlampir).
Sedangkan pada tahap berikutnyaadalah pengembangan alat dalam bentuk pengukluran 2
dimensi. Pada tahun ke dua ini penelitian mengikutsertakan satu orang mahasiswa program
pendidikan fisika (judul penelitianmahaiswa terlampir.
A. Hasil Yang Sudah Di Capai
5.1 Spesifikasi performansi alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate untuk aplikasi
gempabumi
Sistem alat ukur gempabumi yang dirakit menggunakan prinsip sensor getaran
dengan aplikasi pegas dan benda yang memiliki berat, jika terjadi getaran maka alat ini ikut
bergetar sehingga merespon sensor fluxgate. Adapun bentuk fisik dari sistem alat ukur
gempa ini terlihat pada Gambar 29.
Gambar 29. Sistem mekanik sensor fluxgate
Dari Gambar 29 terlihat sistem mekanik sensor fluxgate sistem mekanik ini nantinya
akan menjadi tolak ukur getaran yang terjadi di permukaan bumi. Saat bumi bergetar maka
sistem mekanik ini ikut bergetar sehingga sensor fluxgate akan merespon getaran tersebut.
Sistem mekanik sensor di tutupi oleh box berukuran 13x10x15 cm dan terdiri dari (1)
53
merupakan Kalibrator yang berfungsi sebagai pengatur posisi center dari sensor jika terjadi
penyimpangan, (2) merupakan lengan ayun terdiri dari sepasang lengan ayun bagian atas
dan bawah, (3) adalah sebuah pegas sebagai „osilator efek‟ akibat getaran dari bumi yang
getaranya akan menjadi nilai acuan dari gempa yang terjadi, (4) adalah beban dengan berat
±1 Kg yang bertugas sebagai pemberat, (5) magnet berfungsi sebagai indikator yang akan
direspon oleh sensor fluxgate pada (6).
Saat gempa terjadi, jika ditinjau dari satu titik maka gelombang gempa itu
membentuk pola getaran. Pola getaran yang terjadi diteruskan ke sistem mekanik alat
sehingga benda yang terdapat pada sistem ikut bergetar, pergetaran ini sama dengan
pergetaran dari magnet yang ada pada alat. Sensor fluxgate akan merespon magnet dari jarak
magnet terhadap sensor, respon yang ditangkap akan diproses dengan modul pengolahan
sinyal seperti yang terlihat pada Gambar 30.
Gambar 30. Modul pengolahan sinyal
Gambar 30 merupakan modul pengolahan sinyal, dimana pada modul ini pin-pin
konektor dan kabel catudaya yang difungsikan sebagai pendukung dan penghubung sistem
dari pengolahan sinyal. Modul pengolahan sinyal berbentuk box berukuran 21x16x8 cm dan
terdiri dari (1) merupakan pin konektor untuk sensor fluxgate,dan pin konektor ini juga
dapat digunakan untuk memprogram mikrokontroler yang ada di dalam modul. (2)
merupakan pin USB sebagai penghubung dari alat ke PC, melalui USB ini semua proses
54
transfer data hasil pengolahan sinyal terjadi. (3) saklar On/Off merupakan kontak saklar
yang digunakan untuk mengaktifkan dan mematikan suplay listrik dari PLN. (4) pin
konektor kabel PLN. (5) lubang udara untuk kipas pendingin (fan) pada modul pengolah
sinyal, pendingin digunakan untuk menurunkan suhu pada sirkuit elektronika terutama pada
sirkuit power supplay.
Di dalam pengolahan sinyal terdapat sirkuit elektronika seperti yang terlihat pada
Gambar 31.
Gambar 31. Sirkuit elektronika modul pengolah data
Gambar 31 merupakan bentuk bagian dalam modul pengolahan sinyal sensor
fluxgate, dimana (1) Merupakan sirkuit elektronika yang berfungsi sebagai power supplay,
tegangan yang dihasilkan power supplay yang diberikan ±6 V dan ±12 V. Sistem sirkuit
power supplay digunakan untuk pemberi tegangan pada modul sensor fluxgate dan pemberi
tegangan untuk pengolah sinyal output dari modul sensor, sedangkan pada mikrokontroler
power supplay diambil dari tegangan serial bus USB pada PC. (2) Merupakan rangkaian
pengolah sinyal dari sensor fluxgate. Rangkaian pengolah sinyal ini terdiri dari rangkaian
diffrensiator, detektor, buffer, sinkronisasi fasa, integtrator, dan penguat akhir. Pada
pengolahan sinyal sensor bentuk keluarannya berupa tegangan yang telah dikuatkan oleh
penguat. (3) Merupakan pengolah tegangan agar tegangan yang dihasilkan oleh pengolah
55
sinyal dapar menjadi input ADC pada mikrokontroler. (4) Merupakan sistem
mikrokontroler, mikro yang digunakan merupakan mikrochip bertipe PIC18F4550. Pada
sistem ini tengangan yang telah diolah akan diubah kedalam bentuk tegangan digital dan
dari mikrokontroler data tegangan digital dikirim ke PC melalui serial bus USB pada
mikrokontroler.
Gambar 32. Tampilan tool driver seismograf sofware 12755
Pengoperasian perangkat alat ukur membutuhkan personal computer (PC). PC yang
digunakan dengan spesifikasi telah menggunakan minimal net framework 4.0, dalam
menjalankan alat ukur digunakan software pendukung yang telah dibuat dengan visual basic
bahasa pemograman C# yaitu Tool Driver Seismograf Sofware 12755 dan logloader. Tool
Driver Seismograf Sofware 12755 digunakan untuk menampilkan grafik, monitoring dan
penyimpanan data. Tampilan software seperti pada Gambar 32.
Dalam tampilan software Gambar 32 terlihat merupakan program yang sedang
dijalankan, dimana (1) Merupakan title untuk grafik. (2) Merupakan grafik yang diplot dari
data alat ukur, grafik ini sebagai monitoring kejadian getaran yang direspon oleh sensor
fluxgate secara real time. (3) Merupakan filter noise yang dihitung oleh alat ukur, dengan
56
cara meloloskan selisih nilai hitung yang dapat kita tentukan. (4) Merupakan auto scrol,
fungsi ini digunakan untuk menghidupkan atau mematikan rolling grafik agar tetap tampil
seiring waktu. (5) Button set digunakan untuk mengaktifkan nilai filter dan skala yang telah
ditentukan. (6) Merupakan tempat untuk menginput nilai skala pada sumbu counts yang kita
inginkan. (7) Merupakan status strip yang menginformasikan koneksi USB antara PC dan
perangkat alat ukur. (8) Merupakan text box yang menginformasikan nilai hitungan pada
alat. (9) Merupakan button untuk menjalankan dan mematikan proses pengambilan data.
Proses pengambilan data pada Tool Driver Seismograf Sofware 12755 disertakan
dengan proses penyimpanan data, software ini telah diprogram dapat menyimpan data secara
berkala setiap 15 menit, menyimpan data saat koneksi USB terputus dan saat program
dihentikan. Data yang tersimpan berada pada folder aplikasi dengan nama folder LogData
dan nama file yang tersimpan sesuai dengan waktu penyimpanan data, data tersebut berupa
file dengan extensi .xls sehingga file selain dapat dibuka dengan software logloader juga
dapat dibuka menggunakan Microsoft Excel.
Sofware logloader digunakan untuk membuka kembali data rakaman alat yang telah
tersimpan, logloader ini sengaja dipisahkan dari Tool Driver Seismograf Sofware 12755
menyangkut fleksibelitas dalam penggunaan dan performansi siklus coding dari aplikasi
yang dijalankan. Tampilan aplikasi logloader seperti pada Gambar 33
57
Gambar 33. Tampilan logloader
Gambar 33 merupakan tampilan aplikasi logloader yang telah dijalankan untuk
membuka sebuah data alat yang telah tersimpan. (1) Menunjukan button untuk membuka
dan memilih file data alat yang akan dibuka. (2) Menunjukan info lokasi file yang akan
dibuka. (3) Menunjukan button show yang digunakan untuk memproses data yang akan kita
buka, setelah proses pembacaan data selesai, maka data akan ditampilkan dalam bentuk
grafik. (4) Button kalibrasi digunakan hanya untuk menset ulang posisi data pada titik
tengah dengan menggunakan data tertentu. (5) kolom data titik tengah, nilai titik tengah
akan ditentukan hanya saat instalasi alat pada tempat tertentu, jika terjadi perubahan akan
dilakukan kalibrasi ulang. (6) Menunjukan filter noise yang dihitung oleh alat ukur, dengan
cara meloloskan selisih nilai hitung yang dapat kita tentukan. (7) Merupakan tempat untuk
menginput nilai skala pada sumbu counts yang kita inginkan. (8) Button set digunakan untuk
mengaktifkan nilai filter dan skala yang telah ditentukan. (9) Menunjukan bar progress
sebagai status aplikasi sedang berlangsung.
58
5.2 Spesifikasi Desain Alat Ukur
5.2.1Rancangan sistem antarmuka pada hardware.
Pemograman rancangan sistem antar muka secara ringkas terdapat pada lampiran.
5.2.1.1 Proses pengambilan data.
Pada proses pengambilan data melibatkan pemograman mikrokontroler, pada proses
ini data yang didapat dari rangkaian sinyal sensor berupa tengangan listrik diubah ke dalam
bentuk data digital dan menyimpanya pada memori sementara. Pemograman ini
menggunakan software MPLAB X IDE dengan alur pemograman sesuai dengan flowchart
pada Gambar 34.
Data tegangan yang dihasilkan oleh komponen pengolahan sinyal sensor fluxgate
diubah kedalam bentuk bilangan digital oleh modul ADC yang terdapat pada
mokrokontroler dan hasilnya akan tersimpan pada alamat memori ADRESL dan ADRESH.
Gambar 34. Flowchart program mikrokotroler
Pada mikrokontroler juga terdapat modul USB, modul ini diprogram untuk dapat
terhubung dengan PC sehingga modul USB ini akan menjadi antarmuka antara data yang
59
tersimpan pada mikrokontroler dan PC.
5.2.1.2 Penampilan data.
Proses penampilan data menggunakan bahasa pemongraman Visual Basic kususnya
bahasa C#, dalam penampilan data pada alat ini dibuat dua buah aplikasi yakni Tampilan
Tool Driver Seismograf Sofware 12755 dan logloader.
5.2.2 Sensitifitas sensor fluxgate terhadap jarak dan material magnet pada mekanik
sensor
Sensitifitas sensor fluxgate terhadap jarak dan material magnet didapatkan dari
proses pemasangan sensor pada mekanik sensor. Simpangan mekanik yang terukur
menggunakan mistar 1,3 ± 0,05 cm, range nilai counting oleh modul pengolahan sinyal
yang terekam dari selisih simpangan maksimum dan minimum adalah 593. Maka didapatkan
sensitifitas alat terhadap simpangan :
1,3 𝑐𝑚 ∶ 593 = 0,00219 𝑐𝑚
sensitifitas mekanik sensor dapat mengukur simpangan hingga :
0,0219 𝑚𝑚
60
5.2.3 Penentuan pola gelombang sistem pengukuran alat ukur
5.2.3.1 Pengukuran dalam waktu 15 menit tanpa diberi usikan dengan kondisi normal
pada Gambar 35.
Gambar 35. Data tanpa usikan
Grafik pada Gambar 35 menunjukan pola saat alat yang dijalankan tanpa diberikan
usikan, hal ini bertujuan untuk melihat pola grafik secara normal yang diakibatkan oleh
noise pada alat. Terlihat adanya noise pada grafik. Noise ini akan mempengaruhi dalam
mengidentifikasi pola ada tidaknya terjadinya getaran. Pada noise ini terlihat perubahan
cacahan hitung (counts) dengan rentagan maksimal 8 (delapan) poin. Dapat dikalkulasikan
kesalahan amplitudo yang terbaca oleh alat 8 x 0,0219 mm = 0,172 mm.
61
5.2.3.2Pengukuran berulang dengan jarak yang sama terhadap usikan yang sama
Gambar 36. Pola pada jarak dan usikan sama
Pada Gambar 36 terlihat 4 buah pola grafik, masing-masing pola ini merupakan hasil
dari usikan terhadap sensor pada jarak yang sama, yaitu 1 meter dan kemudian diberikan
hentakan dengan menggunakan beban yang besarnya kurang lebih sama untuk tiap-tiap
grafik. Dari grafik A, B, C dan D tampak pola yang sama. Dari garfik dapat dihitung
amplitudo maksimum, pada grafik A poin count maksimum adalah 14 maka amplitudonya
adalah 0,3066 mm, pada grafik B poin count maksimum adalah 16 maka amplitudonya
adalah 0,3504 mm, pada grafik C poin count maksimum adalah 17 maka amplitudonya
adalah 0,723 mm, pada grafik D poin count maksimum adalah 17 maka amplitudonya
adalah 0,723 mm. dari grafik tidak terlihat bagian pemisahan gelombang badan dan
gelombang permukaan.
5.2.3.3 Pengukuran berulang dengan jarak yang berbeda terhadap usikan yang sama
Pada grafik B jarak hentakan yang diberikan sebesar 1,5 meter, pada pola ini terlihat
perobahan pola dari posisi normalnya, juga terlihat count maksimum adalah 7 maka
amplitudonya adalah 0,1533 mm. Hal ini menunjukan gelombang dari hentakan dapat
62
direspon oleh mekanik sensor, terlihat pola gelombang hanya saja tidak terlihat bagian
pemisahan gelombang badan dan gelombang permukaan.
Pada grafik C jarak hentakan yang diberikan sebesar 1 meter, pada pola ini terlihat
perobahan pola dari posisi normalnya. juga terlihat count maksimum adalah 16 maka
amplitudonya adalah 0,3504 mm, Hal ini menunjukan gelombang dari hentakan dapat
direspon oleh mekanik sensor, terlihat pola gelombang dan amplitudonya lebih besar dari
pola gelombang yang terjadi pada jarak 1,5 meter, hanya saja tidak terdapat pola gelombang
P dan S. Pada grafik D jarak hentakan yang diberikan sebesar 0,5 meter, pada pola ini
terlihat perobahan pola dari posisi normalnya. juga terlihat count maksimum adalah 53 maka
amplitudonya adalah 1,1607 mm. Hal ini menunjukan gelombang dari hentakan dapat
direspon oleh mekanik sensor, terlihat pola gelombang dan amplitudonya lebih besar dari
pola gelombang yang terjadi pada jarak 1 meter, hanya saja tidak terlihat bagian pemisahan
gelombang badan dan gelombang permukaan.
Gambar 37. Jarak berbeda usikan sama
5.2.3.4 Perbandingan Pola gelombang dari stasiun pencatat gempabumi terhadap
pengukuran berulang dengan jarak yang berbeda terhadap usikan yang sama
Gambar 38 menunjukan pola grafik pada gelombang yang dibandingkan dengan pola
63
grafik yang tercatat pada salah satu stasiun pengamat gempa yang mencatat terjadinya
gempa yang jaraknya dekat dengan stasiun pengamat (grafik A) , dari pola grafik A yang
juga sulit untuk menentukan bagian gelombang P dan S kemudian dibandingkan terhadap B,
C dan D terdapat kemiripan terhadap pola gelombang.
Gambar 38. Data pengamat gempa (A) dan data alat ukur (B,C,D)
5.3 Pembahasan
Dalam mengoperasikan alat ukur getaran ini perlu diperhatikan proses
penginstalasianya, terutama pada mekanik sensor. Alat ukur ini memanfaatkan pengukuran
medan magnet, agar dapat beroperasi secara optimal mekanik sensor perlu dikondisikan
supaya berada bebas dari medan magnet luar seperti material magnet maupun medan magnet
dari arus listrik.
Adapun prinsip kerja dari alat ukur getaran ini adalah berawal dari medan magnet
yang direspon oleh sensor fluxgate dan kemudian respon ini diolah oleh rangkaian
pengolahan sinyal. Pada rangkaian pengolahan sinyal, sinyal pulsa yang didapat diubah
64
dalam bentuk tegangan listrik. Tegangan listrik ini kemudian di ubah kedalam bentuk data
digital oleh mikrokontroler dan data digital dikirim ke PC yang kemudian diolah dengan
program aplikasi yang telah dibuat sehingga data digital dapat diinterprestasikan kedalam
bentuk grafik.
Interprestasi dalam bentuk grafik alat ini berupa data count yang berupa data cacahan
dari alat, data cacahan ini mengindikasikan nilai simpangan yang terekam dari sensor
fluxgate. Simpangan yang terjadi merupakan resonansi gelombang gempa yang kepada
sensor fluxgate.
Pengambilan data pada alat ukur getaran ini menggunakan rancangan program
sofware yang telah dibuat, Untuk tahapan awal ini perancangan program tidak menggunakan
informasi peringatan, sehingga jika salah dalam mengoperasikan software maka akan terjadi
error coding dan program tidak dapat dijalankan, solusinya dengan menjalankan ulang
program dari awal.
Dalam pembuatan program untuk alat ukur getaran ini memiliki kelebihan, kita dapat
melakukan zooming terhadap data yang sedang berjalan maupun data tersimpan yang kita
load . kita dapat melihat pola secara real time waktu setempat terhadap setiap kejadian pada
alat ukur getaran. Keunggulan lainya kita dapat membuka data tersimpan dengan software
umun lainya, sehingga data tersimpan lebih fleksibel untuk digunakan.
Pengujian alat ukur ini dengan membandingkan pola getaran yang tercatat oleh alat ukur
dengan pola getaran yang tercatat oleh seismograf. Dari hasil pengujian dan perbandingan
berbagai perlakuan terhadap alat ukur getaran ini, didapatkan bentuk gelombang gelombang
berupa gelombang permukaan. Dari hasil alat penentuan bagian gelombang P dan S sangat
sulit dilakukan. Hal ini disebabkan karena proses pengambilan data, lokasi pengambilan data
dengan struktur tanah yang berupa pasir hingga kedalaman ± 2-3 meter. Jarak antara alat dan
65
pemberian usikan < 2 meter dan pemberian usikan dipermukaan tanah. Sedangkan
gelombang P dan S menjalar dari dalam lapisan bumi sehingga sulit dipisahkan dari getaran
utama yang dicatat oleh alat. Terjadinya hal ini dapat disimpulkan karena pengaruh
penjalaran gelombang dan jarak usikan yang dekat sehingga penjalaran gelombang hanya
teridentifikasi pada gelombang permukaan, gelombang P dan S bisa saja berhimpitan atau
energi usikan yang diberikan tidak mampu menembus lapisan tanah bagian dalam dengan
kejadian gelombang sehingga data grafik sulit untuk diidentifikasi.
B. HASIL PENGUKURAN DENGAN MEMBANDINGKAN DENGAN ALAT
STANDAR DI BMKG PADANG PANJANG
Adapun alat-alat yang digunakan di badan meterologi klimatologi dan geofisika Padang
panjang dalam penentuan parameter gempa bumi adalah sebagai berikut:
a. Seismograf
Seismometer berasal dari bahasa Yunani yaitu seismos berarti gempa bumi dan metero
yang berarti mengukur. Seismometer adalah sebuah alat atau sensor getaran, yang biasanya
dipergunakan untuk mengetahui kekuatan gempa bumi. Seismometer yang dirangkai dengan
alat yang mencatat parameter gempa disebut seismograf. Hasil rekaman dari alat ini disebut
seismogram.
Rekaman ini dapat dipergunakan salah satunya untuk menentukan magnitudo gempa
tersebut. Selain itu dari beberapa seismogram yang direkam ditempat lain, dapat
menentukan pusat gempa atau posisi dimana gempa tersebut terjadi.
66
Hasil keluaran dari seismograf dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 39, tampilan pc alat ukur seismograf
Gambar 39, merupakan tampilan pc dari output seismograf tanpa ada getaran. Pada
gambar terlihat tiga buah garis berwarna hijau, ungu dan kuning. Dimana warna hijau
merupakan tampilan output dari getaran vertical, warna ungu tampilan output dari getaran
horizontal, sedangkan warna kuning tampilan output dari getaran vertical dan horizontal.
Gambar 40, tampilan perangkat alat ukur gempa di BMKG dan alat ukur yang didesain
67
Gambar 40, pengolah sinyal alat ukur getaran gempabumi. Dimana bagian mekanik
akan merespon getaran yang terjadi, getaran yang direspon akan dikirim ke rangkaian
pengolah sinyal. Hasil dari sinyal yang diolah dikirim ke personal computer via USB.
Gambar 41, pengaruh getaran pada mekanik yang diangkat terhadap keluran di pc sebelah
kiri
Gambar 41, merupakan gabungan antara mekanik, pengolah sinyal dan tampilan PC
alat ukur getaran gempabumi. Kumpulan dari beberapa elemen ini dapat nantinya ditentukan
parameter gempa yang diinginkan.
b. Accelerograph
Accelerograph merupakan alat perekam percepatan pergerakan permukaan tanah saat
terjadi gempa. Keluaran dari perekam percepatan pergerakan permukaan tanah dapat dilihat
pada gambar berikut:
68
Gambar 42, tampilan pc untuk alat ukur gempa accelerograph
Gambar 43, empat buah pc (di bagian kiri) untuk memantau kekuatan dan lokasi pusat
gempa
Dari gambar 43 terlihat empat buah personal computer untuk menampilkan parameter
gempa, dimana: komputer bagian kiri merupakan peta lokasi sensor diletakkan, komputer
nomor dua dari kiri merupakan tampilan dari gelombang gempabumi yang terdeteksi,
komputer nomor dua dari kanan menampilkan besar magnetudo serta kedalaman pusat
terjadinya gempa dari permukaan laut serta menampilkan sorotan pusat gempa dan
komputer bagian kanan merupakan tampilan lokasi lengkap tempat terjadinya gempa.
69
Gambar 44, tampilan pc alat ukur gempa yang terkoneksi ke BMKG centre
Gambar 44 merupakan tampilan gelombang-gelombang alat ukur yang terkoneksi ke
stasiun pemantau terjadinya gempa
1. Mengkalibrasi alat ukur gempa yang telah didesain.
Kalibrasi perlu dilakukan agar alat ukur yang telah dibuat mencapai tingkat pressisi dan
acurasy yang tinggi sehingga alat ini dapat dijadikan sebagai referensi alat ukur getaran
untuk applikasi gempabumi kedepannya.
Adapun langkah-langkah kalibrasi alat ukur yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar
berikut:
PC alat ukur gempa
yang terkoneksi ke
BMKG
70
Gambar 45, mekanik serta pengolah sinyal alat ukur gempa yang didesain(depan) dan alat
ukur gempa di bmkg(belakang).
Dari gambar 45 terlihat bentuk tampilan mekanik dari alat ukur referensi dan alat ukur
yang didesain, pada dasarnya sistem kerja bagian mekanik ini sama namun alat ukur yang
didesain terfokus pada pengukuran getaran arah vertical. Dimana sensor fluxgate akan
mendeteksi besarnya getaran dengan memenfaatkan perubahan medan magnet yang
dipasang tegak lurus dengan sensor.
Gambar 46, respon alat terhadap usikan yang diberikan
Gambar 46 merupakan proses kalibrasi alat ukur yang didesain serta
membandingkan isyarat keluarannya dengan alat ukur di BMKG Padang panjang.
71
Gambar 47, respon maksimum alat terhadap usikan yang diberikan
Gambar 47 merupakan tampilan respon maksimum yang dapat dideteksi dari alat ukur yang
didesain,
Gambar 48, respon alat terhadap usikan berupa hentakan kaki orang dewasa.
Gambar 48, perbandingan output antara alat ukur yang didesain dengan alat ukur referensi(
gelombang baris ke_3). Dari tampilan terlihat respon alat terhadap usikan yang sama, namun
pada bagian mekanik alat ukur yang didesain mengalami tingkat sensitivitas yang rendah
dibanding alat ukur referensi, hal ini disebabkan desain dan material yang digunakan dalam
pembuatan chasing mekanik alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate belom terlalu
sensitife terhadap usikan yang diberikan.
PC alat yang
didesain
PC alat referensi
72
BAB 6. RENCANA TAHUN III
Penelitian ini akan dilanjutkan dengan penyempurnaan mekanik pengukur
gempabumi dengan memanfaatkan sistem pegas yang diaplikasikan pada sensor fluxgate
untuk 2-D dimensi dan pembuatan sistem pemantauan serta pengiriman data secara online
ke pusat BMKG. Sistem pengukur gempa akan disinkronkan dengan rangkaian elektronik
dan dikalibrasi menggunakan pembangkit getaran yang telah dibuat pada tahap I. Berikut di
uraikan langkah-langkah penelitian tahap III.
A. Perancangan dan pembuatan sistem mekanik getaran gempabumi 2-D
Sistem perancangan mekanik pada alat ukur getaran 2-D ini terdiri dari beberapa
komponen diantaranya pegas, tiang penyanggah, tali halus, magnet, sensor fluxgate seperti
terlihat pada Gambar 49.
Gambar 49. Rancangan sistem mekanik alat gempabumi 2D
Gambar 10 merupakan rancangan mekanik alat deteksi getaran 2-D dimana: k adalah pegas
yang berosilasi pada titik keseimbangannya, M merupakan benda bermassa yang berfungsi
sebagai peredam, mgnt1 merupakan magnet yang akan berosilasi mengikuti pergerakan
pegas arah horizontal, mgnt2 berosilasi mengikuti pergerakan pegas arah vertikal dan S1
adalah sensor fluxgate yang akan mendeteksi perubahan posisi magnet arah horizontal
sedangkan S2 merupakan sensor fluxgate yang akan mendeteksi perubahan posisi magnet
73
arah vertikal. Besarnya getaran vertikal maupun horizontal setara dengan respon yang
diberikan dikurangi dengan efek redaman akibat gesekan dan redaman pegas. Chasing
pengolah sinyal alat deteksi getaran dapat dilihat pada Gambar 50.
Gambar 50. Desain chasing mekanik dan pengolah sinyal.
Dimana, out 1 merupakan keluaran sensor hasil deteksi gerakan magnet arah
vertikal, out 2 merupakan keluaran sensor hasil deteksi gerakan magnet arah horizontal, pin
USB 1 bagian output mikrokontroler yang akan di tampilkan dipersonal computer, Led
indikator sebagai indikasi terhubung atau tidaknya mikrokontroler ke personal computer dan
Socket PLN sebagai supplay daya untuk mengaktifkan alat deteksi getaran serta tombol
power merupakan tombol on/off alat deteksi getaran.
B. Perancangan Dan Pembuatan Sistem Perangkat Lunak Getaran Gempabumi 2-D
Perancangan dan pembuatan perangkat lunak terdiri dari dua macam yaitu: pertama
perangkat lunak untuk sistem sensor yang terintegrasi dengan mekanik alat ukur getaran
yang ada pada sistim sensor dan kedua perangkat lunak yang terkait dengan sistem
pelaporan data secara online ke pusat BMKG.
Sistem perangkat lunak sensor terdiri dari rangkaian power supply, sensor fluxgate,
rangkaian pengkondisian signal, rangkaian mikrokontroler PIC 18F4550 dan sebuah PC
74
yang telah dilengkapi oleh program software interfacing seperti software programmer visual
C# serta software MPLAB X IDE. Blok diagram dari sistem perangkat lunak ini
diperlihatkan pada Gambar 51.
Gambar 51. Blok diagram sistem kontrol sinyal.
perangkat lunak yang terkait dengan sistem pelaporan data secara online ke pusat
BMKG digunakan sistem Wireless Sensor Network (WSN). Jaringan Sensor Nirkabel atau
dalam banyak literatur disebut Wireless Sensor Network (WSN) adalah sebuah jaringan yang
menghubungkan perangkat-perangkat seperti sensor node, router dan sink node. Perangkat
ini terhubung secara ad-hoc dan mendukung komunikasi multi-hop. Istilah ad-hoc merujuk
pada kemampuan perangkat untuk berkomunikasi satu sama lain secara langsung tanpa
memerlukan infrastruktur jaringan seperti router atau akses point. Sedangkan multi-hop
yaitu istilah yang merujuk pada komunikasi beberapa perangkat yang melibatkan perangkat
antara (intermediate), multi-hop melibatkan perangkat antara seperti router untuk
meneruskan sebuah paket dari satu node ke node lain dalam jaringan. Secara sederhana
pengertian WSN dalam tulisan ini disajikan pada arsitektur Gambar 52.
75
Gambar 52. Sebuah contoh arsitektur dasar WSN
Sedangkan multi-hop yaitu istilah yang merujuk pada komunikasi beberapa
perangkat yang melibatkan perangkat antara (intermediate), multi-hop melibatkan perangkat
antara seperti router untuk meneruskan sebuah paket dari satu node ke node lain dalam
jaringan. Secara sederhana pengertian WSN dalam tulisan ini disajikan pada arsitektur
Gambar 52. Pada Gambar 52 WSN terdiri dari tiga Sensor Node dan sebuah Sink yang
terhubung dan berkomunikasi melalui gelombang radio. Sensor Node 2 dan Sensor Node 3
dapat berkomunikasi secara langsung (ad-hoc). Sementara jika ingin berkomunikasi dengan
Sink, keduanya dapat mengirim paket datanya melalui Sensor Node 1, Sensor Node 1 yang
akan meneruskan paket tersebut ke Sink Node. Pada Gambar 52 ini Sensor Node 1
sekaligus bertindak sebagai perantara (router) untuk menyediakan komunikasi multi-hop.
C. Penentuan Karakteristik dan pengukuran sistem Getaran Gempabumi 2-D
Penentuan karakteristik sistem terdiri dari spesifikasi performansi beserta bagian-bagian
yang mendukung sistem getaran dua gempabumi 2-D baik untuk perangakt keras (mekanik)
maupun perangkat lunak, sedangkan penentuan pengukuran terdiri dari kalibrasi, penentuan
ketepatan dan ketelitian baik skala laboratorium maupun pengukuran insitu.
Penentuan spesifikasi performansi pada sistem alat ukur ini dilakukan dengan
mengidentifikasi fungsi-fungsi pada setiap bagian penyusun dari sistem alat ukur dengan
cara melakukan pemotretan setiap bagian sistem alat ukur serta menjelaskan fungsi-fungsi
dari setiap bagian tersebut. Penentuan ketepatan sistem pengukuran alat ukur.
Ketepatan adalah nilai atau hasil pengukuran yang mendekati nilai pengukuran yang
sebenarnya. Ketepatan pada sistem pengukuran ini ditentukan dengan cara membandingkan
hasil pengukuran dari sistem dengan alat ukur standar berupa kalibrator getaran dan
menyelidiki ketepatan pengukurannya. Adapun langkah-langkah dalam menentukan
ketepatan pada sistem ini adalah:
Mengatur dan mengaktifkan alat ukur getaran real time PC menggunakan sensor
fluxgate agar bekerja secara benar dan normal.
76
Meletakan alat pada holder kalibrator getaran dan kemudian digetarkan dengan nilai
frekuensi yang divariasikan nilainya.
Membandingkan hasil data pengukuran pada alat terhadap nilai ukur pada kalibrator
getaran.
Menentukan persentase kesalahan pengukuran oleh sistem alat ukur getaran 2D.
Ketelitian sistem pengukuran dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran
sistem dengan alat ukur standar kemudian dilakukan pengukuran berulang dan memasukkan
data ke dalam tabel serta menyelidiki ketelitian dari sistem alat ukur. Adapun langkah-
langkah dalam menentukan ketelitian pada sistem ini adalah:
mengatur dan mengaktifkan alat ukur getaran real time PC menggunakan sensor
fluxgate bekerja secara benar dan normal.
Meletakan alat pada holder kalibrator getaran dan kemudian digetarkan dengan nilai
frekuensi yang telah ditetapkan nilainya.
Melakukan pengulangan pengukuran sebanyak sepuluh kali pengukuran.
Menentukan nilai rata-rata, standar deviasi, kesalahan mutlak dan kesalahan relatif
serta melaporkan hasil pengukuran.
77
BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN
7.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil dan analisis dari pembuatan alat ukur getaran berbasis sensor
fluxgate dengan display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi dapat
dikemukakan beberapa kesimpulan dari penelitian ini yaitu :
7.1.2 Hasil spesifikasi performansi alat ukur
Alat ukur getaran berbasis sensor fluxgate dengan display personal computer (PC)
untuk aplikasi gempabumi ini, terdiri dari sistem yang dibangun oleh sistem mekanik
getaran dan sensor fluxgate, pada saat digunakan perlu diperhatikan penempatan mekanik
sensor karena sensitif terhadap material yang memiliki medan magnet. Modul pengolahan
sinyal yang didalamnya terdapat blok komponen elektronika meliputi blok power supply,
pengolahan sinyal sensor fluxgate, pengkondisian output tegangan sinyal sensor dan
mikrokontroler. Sofware aplikasi untuk menjalankan alat ukur yakni Tool Driver Seismograf
Sofware 12755, untuk pengambilan data dari alat dan logloader untuk membuka data yang
telah tersipan.
7.1.2 Hasil Spesifikasi Desain Alat Ukur.
Rancangan pada sistem antarmuka pada alat ukur getaran ini menggunakan beberapa
buah bahasa pemograman yaitu MPLAB X IDE untuk memogram mikrokontroler dan
Visual Basic kususnya C# untuk pembuatan aplikasi window. Untuk resolusi sensitifitas
sensor fluxgate terhadap simpanganya hingga ukuran :
2,19 ∙ 10−3 𝑐𝑚
Hasil analisa grafik yang terekam oleh alat ukur getaran menggunakan sensor
fluxgate dengan display personal computer (PC) untuk aplikasi gempabumi ini berupa
78
gelombang permukaan.
7.2 Saran
Berdasarkan pembahasan yang telah dibahas maka sebagai saran untuk tindak lanjut
dan pengembangan penelitian ini yaitu :
a. Perlu dilakukan pengembangan terhadap penelitian ini untuk mendapatkan
resolusi sensitifitas yang lebih baik serta desain mekanik dan elektronik alat ukur
agar alat ukut ini mampu merespon gelombang gempabumi yang lebih baik lagi.
b. Perlu dilakukan pengembangan program aplikasi untuk menjalankan alat ukur
getaran ini agar dalam proses analisa grafik getaran dapat dilakukan dengan lebih
mudah.
79
DAFTAR PUSTAKA
Colmar Hinnrichs, et al. 2001. Dependence of Sensitivity and Noise of Fluxgate Sensor on
Racetrack Geometry. Germany
Djamal, M., Yulkifli, A.Setiadi, R.N. Setiadi. 2010. “Development of a Low Cost Vibration
Sensor Based on Fluxgate Element.” International conference of institute for
Environtment, Engineering, Economics, and Applied Mathematics (IEEEAM): Itali.
Dorman, Scott. 2010. Sam Teach Yourself Visual C# 2010 Complete Stater Kit in 24 Hours.
Pearson Education:USA
Goldman, Steve. 1999. Vibration Spectrum Analysis Second Edition. New York : Industrial
Press Inc.
H. Grueger. 2000. CMOS Integrated Two Axes Magnetic Field Sensors-Miniaturized Low
Cost Systems With Large Temperature Range. Germany
Hadi, dkk. 2012. “Pemetaan Percepatan Getaran Tanah Maksimum dan Kerentanan
Seismik Akibat Gempa Bumi untuk Mendukung Rencana Tata Ruang dan Wilayah
(RTRW) Kota Bengkulu”. Simetri, 2 (1): 81-86
Haywick. 2008. Geophysics and Earthquakes. GY 111 Lecture Note Series.
Kirkup, L. 1994. Experimental Method An Introduction to The Analysis and Presentation of
Data. John Willey & Sons: Singapore
Malvino, Barmawi. 1985. Prinsip – prinsip Elektronika (Edisi Ketiga). Erlangga: Jakarta
Marchand, Rich. 1999. “Exploring Earthquake Induced Structural Vibrations” Int. J. Engng
Ed. 6 (15) : 477-485
Mohorovicic, Andrija. 2009. ” Effects of earthquakes on buildings”. Geofizika, 26 (1).
Pavel Ripka dan Alois Tipek. 2007. Modern Sensors Handbook. ISTE: United States.
Prasetio, Lea. 1992. Teori Getaran Dengan Aplikasinya. Jakarta: Erlangga.
Purwana, Ibnu. 2010. Manual Baru Praktik Stasiun Pengamatan Seismologi [MBPS2] jilid
1A. Jakarta: P.D.Hobie Karya.
Soedojo, Peter. 2011. Dasar-Dasar Getaran Mekanis. Yogyakarta: ANDI.
Sutrisno. 1987. Elektronika Teori dan Penerapan 2. ITB : Bandung.
Sutrisno. 1999. Elektronika Teori dan Penerapan. ITB: Bandung.
Suyatno, et al. 2008. “Desain dan Pengembangan Fluxgate Magnetometer dan Beberapa
80
aplikasinya.” Jurnal Fisika Dan Aplikasinya (volume 4, nomor. 1 Januari 2008).
Hlm. 1-4.
W.Gopel, et al. 1989. Sensors, A Comprehensive Survey Magnetic Sensors. VCH Publihers
Inc. Suite.
Wandy, Praginda. 2008. “Desain Awal Fluxgate Magnetometer menggunakan Kumparan
Sekunder (Pick-Up Coil) Ganda Sebagai Penentu Posisi Benda (Tracking Position)
Dalam Tiga Dimensi.” Tesis, ITB: Bandung.
Yulkifli. 2010. “Pengembangan Elemen Fluxgate Dan Penggunaannya Untuk Sensor-
Sensor Berbasis Magnetik Dan Proksimiti.” Disertasi, ITB: Bandung.
Yulkifli. 2011. Sensor Fluxgate dan Aplikasinya . STAIN : Batusangkar
81
Lampiran 1. Artikel Ilmiah
Artikel ilmiah 1
International Conference on Physics and Its Applications (ICOPIA) diselenggarakan pada tanggal 16-17
September 2014 di Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Jawa Tengah. (icopia-icamst.mipa.uns.ac.id). Paper
ICOPIA 2014 akan dipublikasikan oleh Atlantis Press dan tersedia secara on-line dan terdaftar di
Thomson ISI (CPCI, Web of Science), Elsevier (EI Compendex, Scopus) dan google scholar.
Vibration Measurement Instrument Design Based on Fluxgate Sensor for
Early Warning of an Earthquake Disaster Yulkifli
1, Syafriani
1, Devi Sidiq
1, Rahadi Wirawan
2
1Jurusan Fisika FMIPA UNP, Jl. Prof. Hamka Air Tawar Padang 25131 Indonesia
2Program Studi Fisika FMIPA Universitas Mataram, Jl. Majapahit 62 Mataram 83125 Indonesia
Email: [email protected]
Abstract. Earthquake phenomena can be observed and monitoring through the presence of the
vibration. In order to monitoring the vibration, fluxgate sensor can be applied based on magnetic flux
change. In this research, a vibration measurement instrument based on the fluxgate sensor for an
earthquake monitoring application has been made. It‟s supported by a personal computer for data
control and output display in the real time measurement. An amplitude vibration sensitivity of this
instrument it‟s about 2.19 x 10-3
cm. The vibration test was conducted in the laboratory using a certain
vibration sources. We have the similarities wave pattern comparing to the seismograph data.
Keywords: fluxgate, vibration, sensor, earthquake, sensitivity
Introduction
An earthquake is a natural event that can be caused by the movement of the earth's plate‟s
activity and the volcano's activity. The propagation of an earthquake is in the form of
seismic waves and it‟s a vibration phenomena. There are two type of seismic wave i.e. body
wave and surface wave. Body waves are compression (P waves) or shear waves (S waves)
and it used in identifying the epicenter of an earthquake. In other hand, the surface waves are
the waves that generated from P and S waves in the earth surface. It‟s propagating in the
parallel direction to the earth surface [1].
In order to monitoring the vibration, a certain type of vibration measurement tools is
required. There are different methods and sensors are developed in the vibration
measurement i.e. capacitance change, piezoelectric, position change of Linear Variable
Displacement Transformer (LVDT), using lasers [2], ultrasonic [3].
82
Fluxgate sensor is a magnetic sensor that uses magnetic fields to produce and sense motion.
Its measure the magnitude and direction of magnetic field (DC or AC low frequency) about
10-10
to 10-4
T. In addition, they are rugged, reliable, low energy consumption and work in a
wide temperature range [4]. There are several developing research applications of fluxgate
sensor i.e. a magnetometer for low magnetic field [5], and a vibrating sensor for low
frequency [6]. The aim of this study is to design and making a vibration measurement
instrument based on the fluxgate sensor for an earthquake monitoring application. In this
design, the double pick-up coils with an oval core model are used for the fluxgate sensor
element.
Methodology
Earthquake vibration measuring tool systems utilize the principle of vibration sensor with
spring applications and objects that have weight. If the vibration occurs, then this tool will
also vibrate so that will provide a response to the fluxgate sensor. The principle work of
fluxgate sensor is a magnetic field change in the coil core (excitation coil) that generates a
current (excitation current). As a proximity sensor, magnetic flux changes were caused by
the object (magnet) movement position to the sensor as shown in Figure 1.
Figure 1 Distance measurement principle by fluxgate sensor.
The instrument system design consists of a mechanical system, power supply circuit,
fluxgate sensors, signal conditioning circuit, PIC 18F4550 microcontroller and personal
computer (PC). Mechanical system design of the instrument is shown in the Figure 2.
Fluxgate sensor is detecting the magnet position changes which influence the magnetic field
of sensors. Figure 3 shows the block diagram of the instruments system. In this design, the
fluxgate element sensor type used is a double pick-up coil with an oval core model [7].
83
Figure 2 Mechanical design of vibration
measuring instruments.
Figure 3 Block diagram of the developed system.
In addition, the interface programs are made using Visual C# and MPLAB X IDE language
programs. For controlling data acquisition and output display in PC, there are two
application programs are designed i.e. Log loader and Tool Driver Seismograph 12755
Display.
Results and Discussion
In the present work, we have design and making a vibration measurement instrument for an
earthquake monitoring application as shown in the Figure 4. The mechanical sensor system
consists of (1) a central regulator of balance sensors in case of deviation, (2) swing arm, (3)
oscillator effect, function as a result of vibrations from the vibration of the earth that will be
the reference value of earthquake that occurred, (4) load and weighs about 1 kg, (5) magnets,
which used as an indicator will be responded by the fluxgate sensor (6). When an earthquake
occurs, seismic waves will form a pattern of vibration at a point. The pattern of the
vibrations propagated to the mechanical systems and resulting vibration in objects in the
tools system. This vibration is equal to the vibration of the magnet is on the tool.
This instrument utilizes a magnetic field measurement. In order to operate optimally,
mechanical sensors need to be conditioned free from external magnetic fields such as
magnetic materials and magnetic fields from the power lines.
84
Figure 4 Fluxgate mechanical sensor system. Figure 5 Electronic circuit of data
acquisition module.
Figure 5 shows an electronic circuit of data acquisition modules. Supply power to the
fluxgate sensor module and its signal processing module (2) was obtained through a voltage
circuit (1). The power supply circuit outputs are ±6 V and ±12 V. While the power for the
microcontroller is obtained from a PC via a USB bus serial. The signal processing circuit
consists of a series differentiator, detectors, buffers, synchronization phase, integrator, and
an amplifier. The input voltage for an ADC of the PIC18F4550 microcontroller (4) is the
processing result of the voltage processing circuit (3). Digital data voltage output from the
microcontroller will be sent to a PC via USB bus serial in the microcontroller. The
amplitude vibration sensitivity of this instrument is about 2.19 x 10-3
cm.
In the vibration measurement test that has been conducted, there are real times of vibration
patterns as described in the Figure 6-8. As shown in Figure 6, there are four patterns result
of the perturbation wave that recorded at a same distance (i.e. 1 m) from the buffeting
source. It‟s showing the same pattern of propagation.
Figure 6 Observed pattern result from the same
distance (1 m) and same perturbation. Figure 7 Observed pattern result of the different
distance (1.5 m (B); 1 m (C); 0.5 m (D)) with the
85
same perturbation.
Figure 7 shows the perturbation patterns of buffeting in different source position i.e. 0.5m, 1 m and
1.5 m, respectively. The amplitude change in the graph pattern is clearly observed. In other side,
the separation between body wave and the surface wave is not visible clearly. Based on the
pattern results that obtained, there are similarities with the data patterns recorded from
seismic observation stations (Figure 8 (A)).
Figure 8 Observed earthquake data (A), measured data (B, C, D)
Conclusions
The vibration measurement system for an earthquake application by implementing a
fluxgate sensor was successfully developed. The amplitude vibration sensitivity of this
instrument is about 2.19 x 10-3
cm. The results of recorded wave pattern have similarities
with data from seismograph recordings.
ACKNOWLEDGEMENTS
The author wishes to thank the Indonesian Government, Department of National Education,
for its financial support in a form of Hibah Strategis Nasional Program undergrant No.
388A/UN.35.2/PG/2014/
References
[1] Lillie, R.J., Whole Earth Geophysics: an Introductory Textbook for Geologist and
Geophysicists, Upper Saddle River, New Jersey, Prentice Hall, 1999.
[2] Goldman, S., Vibration Spectrum Analysis, New York, Industrial Press Inc., 1999.
[3] Wirawan, R., Djamal, M., Hartono, A., Sanjaya, E., Indrasari, W., Ramli, Aplikasi
Sensor Ultrasonik Untuk Pengukuran Getaran Frekuensi Rendah, Prosiding
Simposium Nasional Inovasi Pembelajaran dan Sains, pp. 37-41, 2012.
[4] Ripka, P., Fluxgate Sensor, Magnetic Sensors and Magnetometers, Ripka, P., Artech
House Inc, p. 75, 2001.
86
[5] Djamal, M., Design and Development Fluxgate Magnetometer and Its Applications,
Indonesian Journal of Physics, 17(1), pp. 7-14, 2006.
[6] Yulkifli, Hufri, M. Djamal, Desain Sensor Getaran Frekuensi Rendah Berbasis
Fluxgate, J.Oto.Ktrl.Inst (J. Auto.Ctrl.Inst), 3(2), pp. 7-14, 2011.
[7] Yulkifli, Pengembangan Elemen Fluxgate Dan Penggunaannya Untuk Sensor-Sensor
Berbasis Magnetik Dan Proksimiti, Disertasi, Program Studi Fisika, ITB: Bandung,
2010.
87
Artikel 2
Dimuat dalam Pillar of Physics, vol.1, April 2014, 73-80
88
89
90
91
92
93
94
Lampiran 2. Produk Penelitian dan Pengukuran
Gambar Alat ukur 1 dimensi
Gambar Foto pengujian Gataran dilapangan skala lab di Lokasi Kampus FMIPA UNP
95
Gambar Foto Kunjungan observasi ke BMKG Padang Panjang
Gambar Foto Pemasagan alat untuk kalibrasi
96
Gambar Foto Pengujian dengan alat Standar di BMKG Padang Panjang
97
Lampiran 3. Cover Penelitian Mahasiswa
Saat laporan ini dibuat kedua mahasiswa ini sudah selesai dan diwisuda
98
99
Lampiran judul penelitian mahasiswa yang terlibat di tahun 2014
Proposal Penelitian
Pembuatan Alat Deteksi Getaran Dua Dimensi Menggunakan Sensor Fluxgate
Berbasis Personal Komputer
Oleh :
Zulpadrianto
Nim :1101422
Kelompok Bidang Kajian
ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI
JURUSAN FISIKA
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI PADANG
2014
98
Lampiran 4. Draft paten
Deskripsi
SENSOR MAGNETIK FLUXGATE UNTUK MENGUKUR GETARAN
Bidang Teknik Invensi
Invensi ini berhubungan dengan penggunaan sensor
fluxgate untuk mengukur getaran dengan teknik pengukuran tidak
langsung. Lebih khusus invensi ini mengukur getaran dengan
prinsip proksimiti dan magnetik menggunakan elemen sensor
fluxgate.
Latar Belakang Invensi
Getaran adalah gejala mekanika dinamik yang mencakup
periode gerak osilator di sekitar posisi referensi atau berupa
gerakan bolak-balik yang digambarkan sebagai amplitudo atau
simpangan terjauh dari titik setimbang. Getaran atau vibrasi
adalah salah satu aspek pengoperasian yang sangat diperhatikan
pada mesin-mesin industri (Goldman, 2000). Amplitudo dan
frekuensi vibrasi yang tinggi dapat mengakibatkan kerusakan
mesin. Kondisi ini selain membutuhkan waktu perbaikan cukup
lama dan biaya yang mahal, juga mengakibatkan kerugian karena
mesin tidak beroperasi. Mesin-mesin industri vital memerlukan
Yulkifli, Mitra Djamal, Devi Sidiq
Universitas Negeri Padang
Email: [email protected]
Hp: 081363413004
99
instrumen pengukuran amplitudo dan laju perubahan yang mampu
memperingatkan operator mesin untuk mencegah pengoperasian
mesin pada daerah kerja yang tidak aman serta dapat
menghentikan operasi mesin bila daerah kerja aman terlewati
(Azhar, dkk., 2006). Untuk mendeteksi getaran suatu objek
dengan memanfaatkan informasi getaran diperlukan sensor
getaran dengan resolusi tinggi (Poyhonen, dkk., 2003).
Sensor getaran yang sering digunakan dalam industri
adalah piezoelectric, capacitance, null-balance, strain gage,
resonance beam, piezoresistive dan magnetic induction, saat
pengukuran sensor-sensor tersebut harus menempel di objek
yang akan diamati getarannya (kontak dengan objek). Sensor-
sensor ini harganya sangat mahal dan susah untuk di dapatkan.
Beberapa Paten sebelumnya yang alat ukur geteran adalah
paten no. ID 0 021 804 yang berjudul “Sensor Getaran
Menggunakan Koil Datar”. Paten ini mengungkap penggunaan koil
datar untuk mengukur getaran seperti pada. Metode yang
digunakan pada paten tersebut adalah prinsip pegas lengan yang
diberi beban. Beban sekaligus berfungsi sebagai objek
pengganggu. Kemudian di depan objek diletakkan koil datar.
Paten lain adalah Amerika Serikat yaitu dengan nomer paten US
5,555,222 yang mempunyai aplikasi serupa tapi menggunakan
prinsip berbeda dengan koil datar. Pada paten ini digunakan 3
pegas sebagai pendeteksi getaran.
100
Sensor fluxgate sebagai salah satu dari sensor magnetik
merupakan sebuah sensor yang dapat dibuat dengan proses
sederhana memiliki ukuran kecil, kebutuhan daya rendah,
rentang pengukuran cukup lebar, mempunyai sensitivtias dan
resolusi tinggi sehingga dapat diaplikasikan secara luas
seperti alat ukur magnetik/elektromagnetik, pemetaan,
karakterisasi batuan, navigasi (kompas), biomagnetik dan ruang
angkasa (Ripka, P., dkk., 2003: Ioan, C., dkk., 2002: Kaluza,
F., dkk., 2003: Ando, B., dkk., 2006). Kelebihan lain sensor
fluxgate adalah kestabilan yang tinggi terhadap temperatur
(Ripka, P., dkk., 2001: Liu, S., dkk., 2006).
Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya sensor fluxgate
dengan resolusi < 10 nT, kemampuannya dalam mendeteksi medan
magnetik lemah ±20 uT (Djamal, dkk., 2006a dan Yulkifli, dkk.,
2009) dan pengukuran jarak orde kecil dengan resolusi 260 µm
(Yulkifli, dkk., 2007), maka sangat terbuka peluang untuk
mengaplikasikannya menjadi sensor getaran. Perubahan posisi
objek akan menyebabkan berubahnya medan magnet objek tersebut,
perubahan inilah yang dijadikan sebagai prinsip dasar aplikasi
sensor fluxgate menjadi sensor getaran, terutama getaran
dengan amplitudo kecil.
Paten sebelumnya oleh Jepang dengan no ID 56-153903 yang
berjudul “Device For Measuring Engine Vibration” yang
mempunyai aplikasi untuk mengukur getaran mesin tanpa kontak
dengan mesin menggunakan fluxgate sebagai sensornya.
101
Uraian Singkat Invensi
Objek yang dihasilkan dalam invensi ini adalah
pengembangan penggunaan elemen fluxgate untuk pengukuran
getaran dengan proses sederhana dan harga murah, namun tetap
memberikan hasil yang baik dan ukuran yang kecil.
Aplikasi terhadap getaran dilakukan dengan teknik
pengukuran tidak langsung. Pengukuran getaran dengan teknik
langsung sangat ditentukan oleh karakteristik penggetar yang
digunakan seperti panjang lengan (l) dan massa objek penggetar
(m). Berdasarkan karakterisasi diperoleh frekuensi natural
sekitar 38-40 Hz. Untuk menghindari frekuensi resonansi
analisis data pengukuran dibagi atas dua bagian yaitu 25-38Hz
dan di atas 42-48 Hz. Berdasarkan model pendekatan matematika
yang dipilih diperoleh kesalahan relatif 4,39% untuk daerah di
bawah frekuensi resonansi dan 5,06% untuk daerah diatas
frekuensi resonansi.
Uraian Singkat Gambar
Agar invensi dapat dijelaskan sepenuhnya, maka perwujudan
invensi akan diuraikan secara terperinci dengan mengacu pada
gambar-gambar yang menyertai, dimana:
Gambar 1. Desain mekanik sensor getaran menggunakan fluxgate
sesui dengan invensi ini
Gambar 2. Prinsip kerja fluxgate sebagai sensor getaran
sesuai dengan invensi ini.
Urain Lengkap Invensi
102
Mengacu pada Gambar 1, yang memperlihatkan bentuk mekanik
sistem sensor getaran menggunakan elemen sensor fluxgate.
Sensor fluxgate hanya dapat mendeteksi material atau bahan
yang mempunyai sifat magnetik (ferromagnetik)(3). Material
magnetik akan digetarkan oleh lengan pengetar (cantilver) yang
dalam invensi ini terbuat dari bahan dengan elastisitas yang
tinggi yaitu Cupprum berilium (CuBe) dalam invesni ditandai
dengan nomor (2). Jika objek bergerak mendekati atau menjauhi
detektor, maka medan magnetik disekitar titik setimbang akan
mengalami perubahan, perubahan ini disebut fluk magnetik (Φ).
Perubahan fluk magnetik bergantung pada posisi sensor terhadap
objek. Getaran objek oleh lengan pengetar akan mengakibat
terjadinya osilasi disekitar elemen sensor fluxgate(6),
getaran yang terjadi akan menyebabkan perubahan simpangan
(amplitudo) atau osilasi. Osilasi yang terjadi akan di
deteksi oleh elemen fluxgate (1 dan 10) dalam bentuk perubahan
jarak (8). Untuk menghindari pengaruh medan magnetik luar
terhadap pengukuran maka rumah sensor (5) dibungkus dengan
pelindung (shielding) magnetik (4).
Medan magnet yang diterima maupun yang dihasilkan akan
mengalami perubahan ketika tejadi perubahan jarak. Medan
magnet yang dihasilkan oleh target ini nantinya akan
disuperposisikan dengan medan magnet reffernsi. Hasil
superposisi tersebut akan diubah menjadi ggl induksi oleh
kumparan pick-up. Karena besarnya intensitas Medan magnet yang
diterima oleh sensor berubah terhadap jarak (9), maka
perubahan amplitudo getaran yang terjadi akan berakibat pada
perubahan tegangan yang dihasilkan oleh sensor fluxgate (10).
Ini berarti bahwa ggl yang terjadi merupakan fungsi jarak
antara sensor dengan target (V(x)) dalam invensi ini di
tunjukkan Gambar (11).
103
Sinyal getaran yang keluar dari sistem pengolah sinyal
merupakan sinyal analog dan masih lemah, makan diperlukan
penguat sinyal berupa amlifier (12). Sinyal ini merupakan
tegangan keluaran sebagai fungsi dari waktu. Tegangan keluaran
sensor fluxgate berbanding lurus dengan posisi benda sehingga
dengan melakukan Transformasi Fourier frekuensi FFT (13) dan
amplitudo getaran dapat langsung diketahui (14). Sinyal
analog dari sensor langsung dihubungkan dengan komputer
melalui port audio input. Hal ini dapat dilakukan karena
karakteristik sinyal getaran mirip dengan sinyal audio pada
umumnya. Perbedaan antara keduanya hanya pada frekuensinya
saja. Perangkat lunak berperan mengolah sinyal yang sudah
masuk ke komputer agar dapat dimanfaatkan sesuai dengan
kebutuhan. Perangkat lunak yang digunakan adalah LabVIEW 8.0
produk dari National Semiconductor. Sinyal analog dari sensor
langsung dihubungkan dengan komputer melalui port audio input.
Hal ini dapat dilakukan karena karakteristik sinyal getaran
mirip dengan sinyal audio pada umumnya.
104
Klaim
1. Pengukuran getaran dilakukan dengan menggunakan elemen
fluxgate (1). Elemen fluxgate yang digunakan merupakan
pegembangan yang dilakukan sendiri oleh inventor.
2. Pengukuran getaran yang dilakukan dengan prinsip
magnetik dan proksimiti dengan gerakan osilasi cantilever
(2)
3. Pengukuran getaran dilakukan dengan metode pengukuran
tidak langsung.
4. Metode tidak langsung dilakukan dengan menggunakan sebuah
lengan pengetar dengan panjang l yang mempunyai
elastisitas yang tinggi. Pada salah satu ujung bebas
lengan penggetar di pasang benda magnetik bermassa m
dengan ukuran kecil yang berguna sebagai objek yang
dianggap mewakili getaran objek. Untuk metode ini
fluxgate dapat mengukur frekuensi 10 Hz sampai 56 Hz
dengan frekuensi resonansi 40 Hz.
105
Abstrak
SENSOR MAGNETIK FLUXGATE UNTUK MENGUKUR GETARAN
Invensi ini berkaitan dengan sebuah alat untuk mengukur
getaran. Lebih kusus ivensi ini mengukur getaran menggunakan
sensor magnetik fluxgate dengan prinsip proksimiti dan
magnetik. Prinsip proksimiti berdasarkan perubahan jarak yang
terjadi antara elemen sensor fluxgate dengan objek magnet yang
bergetar diujung lengan cantilver, sedangkan prinsip magnetik
berdasarkan perubahan flukmagnetik yang terjadi disekitar
simpangan getarar.
Invensi ini memiliki komponen yaitu sensor fluxgate untuk
mengubah perubahan jarak yang menghasilkan perubahan medan
magnetik menjadi sinyal tegangan analog sinusioda,
pengolah sinyal untuk mengubah sinyal tegangan analog
sinusoida menjadi sinyal tegangan analog DC, pengubah tegangan
analog-digital, yang mengubah sinyal tegangan analog menjadi
sinyal tegangan digital dan komputer yang memiliki perangkat
lunak, yang dapat mengolah sinyal tegangan digital menjadi
nilai amplitudo dan frekuensi getaran obyek yang diukur serta
menampilkannya pada layar monitor.
106
Gambar 1. Desain Instrumen Pengukur Getaran
Gambar 2. Algoritma Instrumen Pengukur getaran
107
Lampiran 5. Draft buku
DRAFT BUKU
SENSOR FLUXGATE DAN APLIKASINYA
UNTUK BERBAGAI GETARAN
Dr. Yulkifli, S.Pd, M.Si.
108
KATA PENGANTAR
Besarnya kompetisi di pasar bebas mengharuskan pengembangan instrumen yang
terus menerus baik dari sisi kualitas, harga maupun keandalannya. Meningkatnya kebutuhan
untuk otomatisasi, keamanan dan kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan
sensor dan sistem sensor baru dengan prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor
dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Saat ini teknologi sensor telah memasuki
bidang aplikasi baru dan pasar yang semakin meluas seperti otomatif, rumah cerdas (smart
home), penelitian, dan teknologi pengolahan. Berdasarkan data mengenai pasar sensor
dunia diketahui bahwa perkembangan rata-rata produksi sensor dalam sepuluh tahun
terakhir meningkat 4,5% setiap tahunnya.
Untuk memenuhi kebutuhan pasar, para peneliti selalu berupaya meningkat hasil
karyanya, salah salah satunya adalah sensor fluxgate. Buku ini direncanakan membahas
tentang prinsip kerja dan perkembangan sensor fluxgate serta parameter-parameter yang
mempengaruhinya, kemudian dikembangksan dalam berbagai aplikasinya, antara lain untuk
getaran.
Dr. Yulkifli, S.Pd., M.Si
109
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISI
DAFTAR LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI
DAFTAR TABEL
BAB I. Pendahuluan
Bab II. Teknologi Sensor
II.1. Sensor, Aktuaktor, dan Transduser
II.2. Sensor Magnetik
II.2.1. Sensor Efek Hall
II.2.2. Sensor Anisotropic Magnetoresistance (AMR)
II.2.3. Sensor Giant Magnetoresistance (GMR)
II.2.4. Sensor Giant Magnetoimpedance (GMI)
Bab III. Sensor Fluxgate dan Perkembangannya
III.1. Elemen Sensor Fluxgate
III.2. Fluxgate dan Perkembangannya
III.3. Prinsip Dasar Pengukuran Fluxgate
III.4. Prinsip Kerja Fluxgate
III.5. Penentuan Faktor Demagnetisasi
III.6. Pembuatan Elemen Fluxgate dengan Cara Konvensional
III.7. Rangkaian Pengolah Sinyal Fluxgate
III.7.1. Rangkaian Eksitasi
III.7.2. Rangkaian Pick-up
III.8. Kalibra tor Sensor Magnetik
III.8.1. Kalibrator dengan Kumparan Solenoida
III.8.2. Kalibrator dengan Kumparan Helmholtz
III.8.3. Kalibrator Berupa Kumparan Helmholtz
110
Bab IV. Parameter Yang Mempengaruhi Keluaran Sensor Fluxgate
IV.1. Jumlah Lilitan Eksitasi
IV.2. Pengaruh Jumlah Lilitan Pick-up
IV.3. Pengaruh Jumlah Lapisan Inti Feromagnetik
IV.4. Konfigurasi Ukuran dan Jenis Material Inti
A. Variasi lilitan pick-up dengan ukuran inti berbeda
B. Variasi lilitan pick-up dengan jenis inti berbeda.
IV.5. Pengaruh Perubahan Temperatur Lingkungan Keluaran Sensor
BAB V. Aplikasi Sensor Fluxgate
V.1 Desain Sensor Getaran Frekuensi Rendah Berbasis Fluxgate
V.2 Desain Alat Hitung Kecepatan Sudut Berbasis Sensor Magnetik Fluxgate
V.3 Sensor Magnetik Fluxgate Sebagai Alat Ukur Muai Panjang
V.4 Pembuatan Alat Ukur Medan Magnetik Batuan Berbasis Sensor Fluxgate
V.5 Desain dan Pembuatan Alat Ukur Medan Magnetik Pasir Besi Berbasis Sensor
fluxgate
V.6 Pembuatan Sensor Fluxgate Dengan Metode Printed Circuit Boards (PCB)
V.7 Pembuatan Sistem Pengukuran Jarak Benda Digital Berbasis Sensor Fluxgat
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
111
Lampiran 6. Foto hasil awal dari disain sensor getaran 2-D
112
Lampiran 7. Foto Hasil Awal Output dari Disain Sensor Getaran 2-D
113
Lampiran 8. Draft Artikel Draft Journal Internasional
Draft Journal Internasional: JINST, 2014: http://www.iop.org/EJ/journal
Fluxgate Development for Low Frequency Vibration
Sensor and its Earthquake Aplication
Yulkifli1,, Ahmad, F.1,. Rahmondia, N.S2., Mitra Djamal3, M. Taufik, G4 1Electronic and Instrumentation Research Group, Faculty of mathematics and natural sciences, Universitas
Negeri Padang. Jl. Prof . Dr. Hamka Padang, 25131, Indonesia, (Tel: +62751 7057420, Fax: +62751
7055628; E-mail: [email protected]) 2Instrumentation Research Group, Faculty of mathematics and natural sciences, Universitas Riau. Jl. HR
Subrantas km 12,5 Pekanbaru, Riau 28293 – Indonesia, (Tel: +62 (0)761 63273, Fax: +62 (0)761 63279; E-
mail: [email protected]) 3Theoretical High Energy Physics and Instrumentation Research Group, Faculty of mathematics and natural
sciences, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesa 10, Bandung, 40132, Indonesia.
Abstract
Fluxgate magnetic sensor has several advantages over other sensors such as Hall effect,
GMR, AMR and SQUID. Fluxgate advantages among others are: able to measure the
magnetic field in a very small order (nT), has a very high sensitivity, small size, low power
requirements, and have high stability against temperature. This paper describes the
development of fluxgate sensor for low frequency vibration. Vibration amplitude and
frequency observed in the PC using C program. To generate amplitude and low frequency,
the vibration mechanical sources has been made which its amplitude and frequency can be
adjusted. Based on the analysis, the sensor can detect frequencies from 0.14 Hz to 1.15 Hz
with the linearity 1.3% and the resolution 0.017 Hz.
Key words: Development, Fluxgate, vibration, frequency
I. Introduction
The fierce competition in the free trades requires continuous development of the
instrument in terms of quality, price and reliability [1]. Increasing demand for automation,
security and convenience leads people to develop new sensors and sensor systems with
various methods and principles. The number of sensors and sensor systems that needed also
increases.
One of sensors are currently being developed is sensors based on the concept of field
changes around the object observed/measured. The sensors that used this concept, is called a
magnetic sensor [2]. In the development of sensors and sensor systems is need to choose the
suitable measurement principles, special measures should be developed to enhance the
ability of the sensor [3]. In this case the need to compromise between cost and demand. So
that the manufacturing of sensors and sensor systems more simple and low cost with quality
that can compete in national and international trades [1].
Fluxgate meet the above criteria where the process is not too complex except micro
technology, easily digitized output signal, high linearity, small size and high sensitivity [4-
6]. By a lot of advantages of the fluxgate in term of a broad application, the simplicity of
114
making process, low cost so it will open opportunities for further expanding both in terms of
production elements and to apply it to sensors that based on it.
Several researchers developed several applications of fluxgate include: Kawahito, et
al., succeeded in measuring weak magnetic fields in the range of ± 100 μT using micro-
fluxgate sensors with a relative error of about 4%[7]. Kaluza, et al., measured weak
magnetic field of about ± 65 μT using the integrated fluxgate in CMOS ASIC [8]. Djamal, et
al., measuring the weak magnetic field using a fluxgate with single pick-up fluxgate
element, the range of magnetic fields that can be measured ± 40 μT with a relative error of
less than 4%, whereas for the range of magnetic field relative error of ± 150nT obtained is
still very big that is 12.6% [6]. Djamal, et al., performed repairs on the combination the
signal processor so that the sensor characteristics can be rectified, so that the relative error of
measurement of magnetic field is reduced to 1.2% with an accuracy 1uT in the range of
magnetic field measurements are the same as before [9].
Gruger and Lakner, developing applications for the fluxgate electronic compass with
the help of Analog Digital Converter (ADC) 10 bit and RS 232 interface using a compass
accuracy obtained is more than 1º although the compass is to tilt 30º [10]. Hwang, et al.,
made micro-electronic compass with a two-axis fluxgate, fluxgate element manufacturing
processed using Micro Electronic Mechanical System (MEMS) technology [11]. Dallago et
al., made an electronic compass using 2D CMOS micro-fluxgate. CMOS integrated
Fluxgate in the digitized output with RS232 interface. With the data acquisition system
which created a complete electronic compass to measure direction with an accuracy of 1.5º
[12].
Kaluza, et al., attempt to develop a fluxgate applications to detect objects on the
highway traffic (traffic detection), but is often hindered by the influence of Earth's magnetic
field and detected magnetic field from the vehicle engine [8]. Another obstacle is the sensor
output signal decreases with the increasing distance between the fluxgate and the detected
object. Other applications that proposed by Kaluza is to detect a supermarket shopping
trolley.
Ripka, et al., made dc/ac current sensor using fluxgate. He made the fluxgate current
sensor by using a ring-shaped element with inner and outer diameter 7 and 10 mm
respectively. Ferromagnetic core is prepared by electrolysis method while the excitation coil
and pick-ups are made with the PCBs technology [13]. To reduce the power consumption of
sensor the excitation windings then coupled with a capacitor. Ripka managed to create a
current sensor with a sensitivity of 100 mV/A and 10% linearity error in the range of 1 A.
Djamal, et al., fluxgate applications development for measurement of dc currents. Fluxgate
element that used is a double rod-core processor with a single pick-up with pulse positions
method. Fluxgate is used to measure the dc electrical currents up to 2A with a relative error
of 5% [14].
Eventually, fluxgate also used in space missions such as: Brauer, et al., using a
fluxgate in Astried-2 satellite for mapping the earth's magnetic field. Fluxgate element that
used is ring-shaped cores of two axes [15]. Olsen, et al., using a fluxgate magnetometer in
the Øersted satellite [16]. Hawng et al, success in the mission to plant fluxgate Korea
Sounding Rocket-III (KSR-III) to detect the direction and magnitude of the earth's magnetic
field [17].
In this paper we want to develop a fluxgate for low frequency measurements. Low-
frequency vibration measurement is needed to detect the vibration in nature, such as
detecting the vibration of buildings, dams and bridges. Previously we have created a
115
fluxgate applications for various measurements includes: measurement of distance (18,19),
measurement of dc current [14] and measurement of angular velocity [20].
II. Literature Study
A. Fluxgate and Its Measurement Principle.
The fundamental principle of functional fluxgate system is the ratio of the external magnetic
field (Bext) as measured and reference magnetic field (Bref) [4]. Changing the magnetic field
strength into electrical signals can be done directly to measure Bext. This method is simple,
but provides less accurate results, especially for measuring weak magnetic field. Fluxgate
magnetic sensor does not use a direct way, but uses a reference magnetic field Bref for
comparison with the measured magnetic field Bext using containers filled with core material.
This principle is shown in Figure 1.
Fluxgate sensor is a magnetic sensor that works on the basic of non-linear properties
of ferromagnetic materials that its permeability can change when there is a change of
magnetic field around the sensor [21]. Magnetic field strength measurements are based on
the relationship between given magnetic field strength H and the flux of induction magnetic
field B. If the generated input B come from H in AC signal, then in the saturation condition
at B‟s output will be generated even-numbered harmonic wave which is the second
harmonic wave. Its magnitude is proportional with external magnetic field that influenced
the core and also its direction.
Figure 1. Magnetic field measurement principle: a) straightforward; b) using Bref reference
magnetic field Bref as comparator for measured magnetic field Bext (modified from [4].
Fluxgate magnetic sensor is based on the characteristics of a linear ferromagnetic
core. As discussed previously fluxgate element consists of ferromagnetic core and two coils
consist of excitation and pick-ups coils. Excitation coil is a coil that is used to generate the
excitation magnetic field. Principle that occurs in the excitation coil is the same as in the
solenoid, where the magnetic field arising from the presence of electric field (Faraday's law).
Secondary coil is a coil which serves to capture changes in the magnetic field caused by the
excitation coil. At the secondary coil, the magnetic field generated by the excitation coil will
be received and generate an induction force (emf). Induced emf magnitude is determined by
several parameters which one of them is the number of lines of magnetic force that is able to
catch by the cross-section of the coil (Ampere's Law). Changes in the external magnetic
field received by the secondary coil will produce changes in generated current. A good coil
configuration will increase the accuracy because the measured field will be not distorted that
come from the core. For more details, working principles of fluxgate measurements can be
seen in Figure 2.
Working principle of fluxgate magnetic sensor; (A) Field of excitation without
external magnetic field Bext = 0, (b) excitation field with the external magnetic field Bext ≠ 0,
(c) in a state of saturation magnetization curve in Bext = 0; (d) in a state of saturation
116
magnetization curve in Bext ≠ 0; (e) changes in flux with time at Bext = 0; (f) change in flux
with time at Bext ≠ 0; g) sensor output voltage at Bext = 0; (h) The sensor output voltage at
Bext ≠ 0.
Figure 2. Fluxgate working principle (modifed from [22]).
Output voltage of the sensor element is processed by using a signal processing
circuit. Sensor signal processing unit consists of several parts, the differentiator, detectors,
phase synchronization, integrators, and end amplifier. The schematic is shown in Figure 3.
Figure 3. The schematic a signal processing circuit of a fluxgate sensor.
Fluxgate output voltage characteristic is influenced by many factors, among them:
the number of windings of excitation and pick-ups, dimensional geometry of the sensor
element, the nature and types of ferromagnetic core material, the amount of the core layer,
the frequency and excitation current.
.
117
B. Fluxgate As Vibration Sensor
To detect the vibrations has been developed various tools such as vibration sensors.
There are various methods or techniques used to detect vibrations, for example by using
capacitance changes, changes in the electrical charge of the piezoelectric material or a
change of position in the Linear Variable Displacement Transformer (LVDT), using a laser,
and others [23].
Above sensors during the measurement of vibration in general must be affixed to the
object observed (contact with the object). While for directly vibration measurement with
fluxgate not need contact with the object being measured, so that when the measurement
does not need to turn off the activity of the object/machine while it is operating. Whereas for
the indirect vibration measurement use the fluxgate must be posted on a vibrating object.
Fluxgate application for vibration is done by placing the fluxgate close to the object,
but the position of this sensor is contactless with a vibrating object. Vibration will cause a
change in distance between the target at the tip vibrator with a point in front of it. In this
case a sensor is placed in opposite to the end of the vibrator (object), it is shown in Figure 4.
Figure 4. Fluxgate working principle as vibration sensor to direct measurement.
When the vibration occurs, then the target at the tip of the vibrator will be vibrating.
It causes a change in distance between target and sensor. Fluxgate will emit a magnetic field
from the excitation coil. A part of emitted magnetic field will hit the target which made from
ferromagnetic. This field is converted to induction current before then converted again to
induction magnetic field. Received or generated magnetic field will experience a change
when the distance change occurred. Magnetic field that generated from the target will be
superposed with reference magnetic field. The superposition result will be converted to
induction force by pick-up coils. Because the received intensity of magnetic field changes
due to distance so the amplitude change will influence the voltage change that generated
from the sensor [24]. It means that emf generated is the function of distance between sensor
and target (V(x)). The principle is shown in Figure 5.
118
Figure 5. Working principle of vibration measurement [24]
Vibration signal from the signal processing system output is an analog signal. This
signal is function of time. Fluxgate sensor output voltage is proportional to the position of
objects so that by performing Fourier transformation the frequency and amplitude of
vibration can be directly known. Changes in the deflection between the loads F (object) with
the sensor will cause changes in magnetic field intensity received by the sensor.
III. Research method.
a. The distance calibration
Calibration needs to be done before performing the vibration measurements to find
the distance relationship between vibrated objects and fluxgate output voltage. Long axis
vibrator mounted on the piston with 8.4 cm. At first, axis‟ edge that attached with magnetic
object placed close to fluxgate and then the axis moved farther slowly until 4.2 cm. This
point is then stated as center point of vibrator. Fluxgate output voltage changes recorded on
distance changes.
b. Frequency measurement
Vibration amplitude measurements performed by varying the frequency of vibration
with a maximum deviation of 1.0, 1.5, 2.0, and 2.5 cm with a way to change the arm
position vibrator motor axle. Measurement set-up is shown in Figure 7.
119
Figure 6. Design of sensor mechanic system in a) and the photo of device low frequency
b).
Frequency measurement is done by calculating the time between two negative
transition signals from the optocoupler box. The measured time period is the time to
occurrence of one full rotation or one period. Timing is done by using the timer interrupts on
the microcontroller. While to start and stop counting used external interruptions.
When there is a negative transition external interrupt will occur to start the timer, the
timer interrupt will increase proportionately the counter with time base 1 ms. When time
reaches one second external interrupt stops the timer interrupt, and the results of last
increment is a time period of the signals.
IV. Result and Analysis
The distance calibration result is shown in Figure 8, here can be seen that the sensor
response is linear.
Figure 7. Graph of distance optimization
To get a zero deviation then the graph of Figure 8 are converted into graph of Figure 9.
120
Figure 8. Graph for zero deviation.
Based on the graph in Figure 9 can be determined the relationship between distance
and deviation as shown in equation (v.8).
Vout= -0.003x6 + 0.004x
5 + 0.047x
4 + 0.018x
3 - 0.237x
2 - 1.353x + 1.109
(1)
Before performing the measurement of vibration the equation (1) is inserted into the
microcontroller program so that the value on the LCD display is the form of maximum
deflection or amplitude. One form of low-frequency output response is shown Figure 10.
(a)
121
(b)
Figure 9. The form of low-frequency output response; frequency 0,11 Hz (a) and 1,05 Hz
(b)
Results of measurement of amplitude and frequency source with fluxgate probe
spacing variation with the object are shown in Figure 11.
Figure 10. Graph of frequency to amplitude.
Based on Figure 11, can be seen that if the arm is shifted away from the motor axle
then the object vibrates closer to the fluxgate, it is seen by the increase measured amplitude
when the vibrator axis approached fluxgate. While the increasing frequency causes the
deviation decreased. The relationship between measured frequency and the vibrating source
frequency for the distance 2 cm is shown in Figure 12, it shows the linear relationship. It
shows the fluxgate as a low-frequency vibration sensor capable to detect frequency from
0.14 Hz until 1.15 Hz.
122
Figure 11. Graph frequency FFT to sources frequency.
To find error related with frequency deviation of the measured frequency and source
frequency then absolute error and relative error analysis should be done. Frequency
measurement error for distance of 2 cm can be determined using mathematical approaches
through the equation in Figure 12.
f (FFT) = -0.0531(fs)3 + 0.0906(fs)
2 + 0.9628(fs) - 0.0038 (2)
Based on the equation (2) it is obtained an absolute error and relative error as shown
in Figure 13 and Figure 14. Based on the analysis it is obtained the absolute and relative
errors 0.017 Hz and 1.3% respectively.
Figure 12. Graph of absolute error.
123
Figure 13. Graph of relative error.
V. Conclusion
Based on the advantages of fluxgate for distance and magnetic field measurements in
small order then it can be developed for low-frequency measurements. Based on the
characterization of sensor capable to measure vibration from 0.14 to 1.15 Hz. Measured
vibration amplitude depends on fluxgate probe distance to vibrated object. For distance of 2
cm it is obtained the absolute and relative maximum error for the frequency measurement
0.017 Hz and 1.3% respectively.
Acknowledgements
The author wishes to thank the Indonesian Government, Department of National Education,
for its financial support in a form of Hibah Strategis Nasional Program undergrant No.
388A/UN.35.2/PG/2014
References
[1] H.-R., Traenkler : Core Technologies for Sensor Systems, Proc. Indonesian German
Conference, pp. 1-9, 2001.
[2] J. Fraden, : Handbook of Modern Sensor. New York, Springer-Verlag New York, Inc,
1996.
[3] H.-R. Traenkler,., Kanoun, O., dan Pawelczak, D.: Evolution of Sensor Elements
towards Smart Sensor Systems, Proc. Internasional Conference on Instrumentation,
Communication and Information Technology (ICICI) 8-9 Agustus, pp. 1-7, 2007.
[4] W. Göpel, J. Hesse, and J.N. Zemel, : Sensors, A Comprehensive Survey, Magnetic
Sensors, VCH Publishers Inc., Suite, 1989.
[5] P. Ripka, Magnetic Sensor and Magnetometers, USA: Artec House, 2001.
[6] M. Djamal, and R.N. Setiadi, “Pengukuran Medan Magnet Lemah Menggunakan
Sensor Magnetik Fluxgate dengan Satu Kumparan Pick-up, “ Prosiding ITB Sains &
Tek. Vol.38A, No.2, pp. 99-115, 2006a.
[7] S. Kawahito, A. Cerman, K. Aramaki, and Y. Tadakoro, "A Weak Magnetic Field
Measurement System Using Micro-Fluxgate Sensors and Delta-Sigma Interface,"
IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, vol. 52, 2003, pp. 103-110.
124
[8] F. Kaluza, A. Gruger, and H. Gruger, “New and Future Applications Flxgate
Sensors,” J. Sensor and Actuator, 106, pp. 48-51. 2003.
[9] M. Djamal, “Design and Development Fluxgate Magnetometer and Its Applications, “
Indonesian Journal of Physics, vol. 17 No. 1, pp.7-14, 2006b.
[10] H. Grüger, and H. Lakner, :Low cost tilt compensated electronic compass, in: S.
Krüger, W. Gessner (Eds.), Advanced Microsystems for Automotive Applications
2001, Springer, Berlin, 2001. [11] J.S. Hwang, H.S. Park, D.S. Shim, K.W. Na, W.Y. Choi, W.Y. and S.O. Choi, “Electronic Compas
Using Two-axis Micro Fluxgate Sensing Element,” The 12Th International Conference on Solid State
Sensors, Actuactor dan Microsystem, Juni 8-12, Boston, 2003
[12] E. Dallago, M. Ferri, P. Malcovati, A. Rossini, and G. Venchi, “A CMOS 2D Micro-Fluxgate Earth
Magnetic Field Detecting System with RS232 Digital Output, “ Proceedings IEEE Sensors
Confrence, 2007.
[13] P. Ripka, J. Kubik, M. Duffy, W.G. Hurley, and O. O‟reilly, “Current Sensor in PCB Technology,”
IEEE Sensors Journal, vol. 5, No. 3. Pp 433-438, 2005.
[14] M. Djamal and Yulkifli, "Fluxgate Sensor and Its Application," Proceedings of ICICI-BME, Bandung:
2009.
[15] P. Brauer, T. Risbo, J.M.G. Merayo, and O.V. Nielsen, “Fluxgate sensor for the vector magnetometer
onboard the „Astrid-2‟ Satellite,” Sensors and Actuators A., 81, pp. 184–188, 2000.
[16]. N. Olsen, L. Tøffner-Clausen, T.J. Sabaka, P. Brauer, JMG. Merayo, J.M. Leger, O.V. Nielsen, F.
Primdahl, T. Risb, and J.L. Jørgensen, “Calibration of the Ørsted vector magnetometer,” Earth
Planets Space, 55, 11–18, 2003.
[17] S.H. Hwang, H.M. Kim , J. Kim, E.S. Lee, D.H. Lee, M. Jang, D. Son, and G.R. Cho, “Overviewof
scientific payloads onboard the KSR-III rocket, “J. Acta Astronautica, 60, pp. 880 – 888, 2007.
[18] Djamal, M., dan Setiadi, R.N.,(2005a): Displacement Sensor Based on Fluxgate Magnetometer, Proc.
on Asian Physics Symposium (APS) 7-8 August, Bandung.
[19] Yulkifli, Suyatno, M. Djamal, and R.N. Setiadi, "Designing and Making of Fluxgate Sensor with Multi-
Core Structure for Measuring of Proximity," Proceedings of The Conference Solid State Ionic (CSSI),
Tanggerang: 2007, pp. 164-170.
[20] Yulkifli, Z. Anwar, and M. Djamal, "Desain Alat Hitung Kecepatan Sudut Berbasis Sensor Magnetik
Fluxgate," Jurnal Sainstek, vol. 1, 2009, pp. 79-90.
[21] J. Kubik, : PCB fluxgates, Doctoral Thesis, Czech Technical University, Prague, 2006.
[22] H. Grueger, and R. Gottfried-Gottfried, “CMOS Integrated Two Axes Magnetic Field Sensors –
Miniaturized Low Cost System With Large Temperature Range”, Fraunhofer Institute for
Microelectronic Circuits and Systems IMS,” Preparation, Propoerties, and Applications of Thin
Ferromagnetic Films, pp. 35-38, 2000.
[23] S. Goldman, Vibration Spectrum Analysis, New York: Industrial Press Inc., 1999.
[24] M. Djamal, R.N. Setiadi, and Yulkifli, "Preliminary Study of Vibration Sensor Based
on Fluxgate Magnetic Sensor," Proceedings of ICMNS, Bandung: 2008.
