sensor dan tranduser

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1 Sensor Dan Transduser

Model apapun yang digunakan dalam sistem otomasi pemabrikan sangat

bergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian

menunjukkan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat

bergantung kepada sensor maupun transduser yang digunakan. Pada bagian

selanjutnya akan dijelaskan tentang pengertian maupun jenis-jenis sensor dan

transduser.

2.1.1 Pengertian

Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-

gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi

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

Contohnya camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor

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

sebagai sensor cahaya, dan lainnya.

Transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di

dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk

yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya.

Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau

thermal (panas). Contohnya generator adalah transduser yang merubah energi

Universitas Sumatera Utara

mekanik menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi

listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya.

2.1.2 Klasifikasi Sensor Dan Transduser

Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat

dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu:

a. sensor thermal (panas)

b. sensor mekanis

c. sensor optik (cahaya)

Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala

perubahan panas/temperatur/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang

tertentu. Contohnya bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo

dioda, photo multiplier, photovoltaik, infrared pyrometer, hygrometer, dsb.

Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis,

seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar,

tekanan, aliran, level dsb. Contohnya strain gage, linear variable deferential

transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dsb.

Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan

cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai

benda atau ruangan. Contohnya photo cell, photo transistor, photo diode, photo

voltaic, photo multiplier, pyrometer optic, dsb.


Sementara klasifikasi transduser adalah :

a. Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri)

Self generating transduser adalah transduser yang hanya memerlukan satu

sumber energi. Contohnya piezo electric, termocouple, photovoltatic,

termistor, dsb. Ciri transduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik

dari transduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai

sumber tegangan.

b. External power transduser (transduser daya dari luar)

External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah

energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran. Contohnya RTD

(resistance thermal detector), Strain gauge, LVDT (linier variable

differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb.

2.2 Sensor Cahaya

Penggunaan sensor cahaya dalam sistem kendali pada industri sangat

efektif dan efisien. Oleh karena itu sensor cahaya banyak digunakan pada pabrik-

pabrik dan juga pada sistem keamanan gedung-gedung bertingkat. Pada bagian

selanjutnya akan dibahas tentang energi cahaya dan juga jenis-jenis sensor cahaya.

2.2.1 Pengertian

Elemen-elemen sensitive cahaya merupakan alat terandalkan untuk

mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap

semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra

merah.


Energi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan

secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik

kompensasi.

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki

spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum

mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan

spektrum optis dan energi dapat dilihat pada formula dan Gambar berikut. Energi

photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah:

hchfWp == . . . . . . . . . . . . (2.1)

Dimana :

Wp = energi photon (eV)

h = konstanta Plancks (6,63 x 10-34 J-s)

c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s)

= panjang gelombang (m)

f = frekuensi (Hz)

Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat

elektron berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan

pada Gambar 2.1, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra violet dengan panjang

gelombang 200 sampai 400 nanometer (nm), visible adalah spektrum warna

cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan panjang gelombang 400 sampai 800

nm yaitu warna violet, hijau dan merah, sedangkan spektrum warna infrared

mulai dari 800 sampai 1600 nm adalah warna cahaya dengan frekuensi terpendek.


Untuk lebih jelasnya, spektrum warna cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Sedangkan daya spektral cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.1 Spektrum Gelombang EM

Gambar 2.2 Kurva Output Sinyal Optis

Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain matahari adalah

antara lain:

a. Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari

pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot

light, lampu flashlight.

Ultraviolet Visible Infrared

Photon energy, eV

200 400 800 1600

4 2 1

Wavelength, nm

Vio

let

Gre

en

Red


b. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke

level energi berikutnya.

c. Fluorescense yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan

fluorescence yang terkena cahaya tajam, seperti layar osciloskop.

d. Sinar Laser adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk

sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya

tunggal atau membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari

sumber sampai ke beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil

yaitu 0,001 radians).

2.2.2 Jenis-Jenis Sensor Cahaya

Banyak peralatan sistem kendali menggunakan sensor cahaya, oleh karena

sensor ini bayak jenisnya. Baik berdasarkan prinsip kerja maupun ukuran sensor

ini terdiri dari berbagai jenis, diantaranya adalah :

1. Dioda foto

2. Transistor foto

3. Tabung cahaya berisi gas

4. Pemfotodaraf

5. Fotosel

2.2.3 Dioda foto

Dioda foto memanfaatkan sifat-sifat sel emisi cahaya atau tabung cahaya.

Tabung cahaya merupakan sebuah alat pemancar energi yang mengontrol

pancaran elektronnya bila dihadapkan ke cahaya yang datang. Kontruksi sebuah


dioda foto diperlihatkan pada Gambar 2.3 (a) dan simbolnya dalam diagram

skema pada Gambar 2.3 (b).

(a) (b)

Gambar 2.3 Dioda foto

a. Konstruksi Dioda foto

b.Diagram Skema Dioda foto

Elemen setengah lingkaran yang besar adalah katoda yang sensitif cahaya

dan kawat tipis yang menuju pusat tabung adalah anoda. Kedua elemen ini

ditempatkan di dalam sebuah pembungkus (envelope) gelas yang telah

dihampakan. Bila antara anoda dan katoda diberikan suatu tegangan konstan, arus

di dalam rangkaian berbanding langsung dengan banyaknya cahaya atau intensitas

cahaya yang jatuh pada katoda.

Katoda cahaya memancarkan elektron bila dirangsang dengan energi

pancaran yang datang. Pada waktu itu katoda cahaya yang paling penting

digunakan di dalam tabung cahaya vakum adalah permukaan cesium-antimony,

yang ditandai dengan sensitivitas yang tinggi di dalam spektrum visibel. Jenis

gelas yang digunakan di dalam penutup gelas terutama menentukan sensitivitas

alat pada panjang gelombang yang lain. Biasanya gelas menghentikan transmisi

radiasi dalam daerah ultraviolet.


Karateristik khas antara tegangan dan arus diperlihatkan pada Gambar 2.4

(a). Bila tegangan yang cukup diberikan antara katoda cahaya dan anoda, arus

yang terkumpul secara keseluruhan hampir bergantung pada jumlah cahaya yang

masuk. Tabung cahaya vakum ditandai oleh status respons arus cahaya yang

linear sepanjang suatu rangkuman yang lebar, begitu besar sehingga tabung-

tabung ini sering digunakan sebagai standar dalam pengukuran pembandingan

cahaya. Gambar 2.4 (b) memperlihatkan hubungan linear antara arus dan cahaya.

(a)

(b)

Gambar 2.4 Karakterisrik Dioda Foto

a. Karakteristik Arus vs Tegangan b. Arus vs Fluksi Cahaya


2.2.4 Transistor Foto

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

sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto

dengan transistor foto dalam satu rangkaian seperti terlihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Rangkaian Uji Transistor Foto

Adapun perbedaan karateristik antara dioda foto dan transistor foto adalah

sebagai berikut.

Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas

foto dapat dilihat pada Gambar 2.6

Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip

Transistor sebagai penguat arus

Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto


Gambar 2.6 Karateristik Transistor foto

2.2.5 Tabung Cahaya Berisi Gas

Tabung cahaya berisi gas memiliki kontruksi umum yang sama seperti

tabung cahaya vakum, kecuali bahwa penutup berisi gas lamban (biasanya argon)

pada suatu tekanan yang sangat rendah. Elektron dipancarkan dari katoda melalui

kekuatan photoelectric dan mempercepatnya melalui gas dengan memberikan

tegangan pada anoda. Jika energi elektron melebihi potensial ionisasi gas (15, 7 V

untuk argon), tumbukan sebuah elektron dan molekul gas dapat menyebabkan

ionisasi, yakni pembentukan sebuah ion positif dan sebuah elektron sekunder. Jika

selanjutnya tegangan diperbesar melebihi potensial ionisasi, arus yang

dikumpulkan oleh anoda bertambah karena jumlah tumbukan antara elektron

cahaya (photo-elektron) dan molekul gas lebih banyak. Jika tegangan anoda

dinaikkan ke suatu nilai yang sangat tinggi, arus menjadi tidak terkontrol; maka

semua molekul gas terionisasi dan tabung memiliki suatu lucutan kilap (glow

discharge). Keadaan ini harus dicegah karena dapat merusak tabung untuk

seterusnya. Karateristik khas anatara arus dan tegangan untuk berbagai level

cahaya diperlihatkan pada Gambar 2.7.

40 30 20 10

Intensity (W/m2)

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

28

20

12

8

4 Col

lect

or C

urre

nt (m

A)


Gambar 2.7 Karakteristik Khas Antara Tegangan dan Arus pada Tabung Gas

2.2.6 Pemfotodarap (Photomultiplier)

Untuk mendeteksi level-level cahaya yang sangat rendah, dalam

kebanyakan pemakaian diperlukan penguatan khusus bagi arus cahaya.

Pemfotodarap atau alat menggandakan cahaya (photomultiplier), menggunakan

emisi sekunder untuk memberikan penguatan arus diatas faktor 106 dan berarti

menjadi sebuah detektor yang sangat bermanfaat bagi level cahaya yang rendah.

Dalam sebuah pemfotodarap, elektron yang dipancarkan oleh fotokatoda

diarahkan secara elektrostatik ke sebuah permukaan pancar sekunder yang disebut

dynoda. Jika pada dynoda ini diberikan tegangan kerja yang sesuai, tiga sampai

enam elektron sekunder dipancarkan untuk setiap elektron primer yang

menumbuk dynoda. Elektron sekunder ini difokuskan ke sebuah dynoda kedua

dimana proses berulang. Dengan demikian pancaran katoda semula digandakan

beberapa kali.


Gambar 2.8 memperlihatkan sebuah pemfotodarap beserta sepuluh

dynoda. Dynoda terakhir (ke-10) disusul oleh anoda yang mengumpulkan elektron

dan dalam kebanyakan pemakaian bekerja sebagai elektron keluaran sinyal.

Pemfotodarap linear pada Gambar 2.8 (juga dikenal sebagai tabung

Matheson) memiliki struktur sangkar pemusat (pemfokus) yang dirancang secara

khusus dengan permukaan efektif yang besar untuk pengumpulan elektron cahaya

pada dynoda pertama. Tabung Matheson ini menggunakan sebuah katoda

lengkung dan cincin-cincin annular untuk pemusatan elektron-elektron cahaya

secara elektrostatik. Kontruksi ini memperlihatkan pengumpulan foto-elektron

yang sangat efektif dan juga waktu peralihan yang sangat pendek (respons

frekuensi tinggi).

Gambar 2.8 Pola Kerja dari Pemfotodarap


Penguatan pemfotodarap bergantung pada jumlah dan sifat-sifat bahan

dynoda. Untuk sebuah tabung khas dengan sepuluh dynoda seperti diperlihatkan

pada Gambar 2.8, penguatan ini akan berada dalam orde 106 dengan pemberian

tegangan sebesar 100 V setiap tingkatan (dalam hal ini akan diperlukan sumber

tegangan 1000 V). Respons spektral dapat dikontrol oleh bahan katoda dan

dynoda. Keluaran pemfotodarap adalah linear, serupa dengan keluaran tabung

cahaya vakum.

Medan-medan magnetik mempengaruhi penguatan pemfotodarap sebab

sebagian elektron mungkin dibelokan dari lintasan normalnya diantara tingkatan-

tingkatan, dan dengan demikian tidak pernah mencapai sebuah dynoda atau

akhirnya anoda. Dalam pemakaian alat cacah kelipatan efek ini bisa mengganggu,

dan untuk ini pelindung magnetik logam-mu sering dipasang sekeliling

pemfotodarap.

2.2.7 Fotosel

Fotosel adalah elemen-elemen yang daya hantarnya merupakan fungsi dari

radiasi elektromagnetik yang masuk. Banyak bahan bersifat fotokonduktif sampai

tingkat tertentu, akan tetapi yang terpenting secara komersial adalah kadmium-

sulfida, germanium dan silikon. Respons spektral dari sel kadmium-sulfida

hampir sesuai dengan mata manusia, dan dengan demikian sel ini sering

digunakan dalam pemakaian dimana penglihatan manusia merupakan suatu faktor,

seperti halnya pengontrolan cahaya jalan atau pengontrol selaput pelangi otomatik

pada alat-alat kamera.


Elemen-elemen dasar dari sebuah fotosel adalah substrat keramik, lapisan

bahan konduktif, elektroda metalik untuk menghubungkan alat ke sebuah

rangkaian, dan sebuah penutup tahan uap air. Sebuah pandangan terpotong lancip

dari sebuah fotosel diperlihatkan pada Gambar 2.9.

Suatu pemakaian khas dari sebuah rangkaian praktis fotosel untuk

mengontrol on-off ditunjukkan pada gambar 2.10. Tahanan R2, R3, dan R4 dipilih

sehingga catu emitter ke basis Q2 cukup positif untuk mengijinkan Q2 konduksi.

Sebagai akibatnya, relay di dalam rangkaian kolektor Q2 akan bekerja. Bila

digunakan konfigurasi A sebagai rangkaian kontrol, relay bekerja bila cahaya

pada Fotosel berada dibawah suatu level yang telah ditentukan. Untuk lebih

jelasnya, dapat dilihat pada Gambar 2.9 dan 2.10.

Gambar 2.9 Konstruksi Fotosel


Gambar 2.10 Rangkaian Fotosel untuk Mengontrol on-off

Bila fotosel diterangi, catu emitter ke basis dari Q1 menjadi cukup positif untuk

mengijinkan Q1 konduksi. Potensial kolektornya menjadi sangat kurang positif,

mengurangi catu pada Q2, dan Q2 terputus mematikan relay. Bila yang digunakan

adalah konfigurasi B, relay akan bekerja bila cahaya yang masuk pada fotosel

berada di atas suatu level telah ditentukan sebelumnya.

Fotosel semikonduktor digunakan dalam beberapa pemakaian.

Karakteristik volt-ampere dari sebuah bahan p-n bisa nampak berupa garis tebal

pada Gambar 2.11, tetapi bila cahaya diberikan pada sel, kurva bergeser ke bawah

seperti diperlihatkan oleh garis patah.

Dalam pemakaian fotosel dicatu dalam arah balik. Bila sel tersebut

disinari, arus balik bertambah dan suatu tegangan keluaran dapat dibangkitkan

melalui sebuah tahanan keluaran. Selanjutnya tegangan keluran ini sebanding

dengan jumlah cahaya yang masuk. Orde khas besarnya pertambahan arus

keluaran adalah sekitar 0,7 A untuk setiap pertambahan penerangan sebesar 1 fc


(foot-candle). Pertambahan arus cahaya ini adalah linear terhadap pertambahan

penerangan. Konstanta waktu fotosel dari bahan p-n yang relatif cepat, membuat

alat ini sangat bermanfaat untuk frekuensi eksitasi optik sekalipun di atas daerah

audio.

2.3 Sistem Kendali

Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang

cepat terutama di bidang otomasi industri. Perkembangan ini tampak jelas di

industri pemabrikan dimana sebelumnya banyak pekerjaan mengunakan tangan

manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan semi

otomatis dan terakhir sudah menggunakan full-otomatis. Semua itu adalah sistem

kendali. Pada bagian selanjutnya akan dijelaskan pengertian dan jenis-jenis sistem

kendali.

2.3.1 Pengertian

Sistem kontrol adalah suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen

atau elemen pendukung yang digunakan untuk mengukur nilai dari variabel

sistem yang dikontrol dan menerapkan variabel tersebut ke dalam sistem untuk

mengoreksi atau membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang

dikehendaki.

Sistem kontrol otomatis adalah sistem kontrol umpan balik dengan acuan

masukan atau keluaran yang dikehendaki dapat konstan atau berubah secara

perlahan dengan berjalannya waktu dan tugas utamanya adalah menjaga keluaran

sebenarnya berada pada nilai yang dikehendaki dengan adanya gangguan. Banyak


contoh sistem kontrol otomatis, beberapa diantaranya adalah pengaturan otomatis

tegangan pada plant daya listrik di tengah tengah adanya variasi beban daya

listrik dan kontrol otomatis tekanan, kekentalan, dan suhu dari proses kimiawi.

2.3.2 Jenis-Jenis Rangkaian Kendali

Sistem kontrol rangkaian terbuka (open-loop control system) merupakan

sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol.

Dengan kata lain, sistem kontrol rangkaian terbuka keluarannya tidak dapat

digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Suatu contoh

sederhana adalah mesin cuci. Perendaman, pencucian dan pembilasan dalam

mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran

yaitu tingkat kebersihan kain. Setiap gangguan yang terjadi akan menimbulkan

pengaruh yang tidak diinginkan pada outputnya, seperti terlihat pada Gambar

2.12.

input output

Gambar 2.11 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka

Sistem kontrol rangkaian tertutup (closed-loop control system) merupakan

sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran

masukan sehingga besaran yang dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga

yang diinginkan melalui alat pencatat (indikator atau rekorder). Perbedaan yang

terjadi antara besaran yang dikendalikan dan penunjukkan pada alat pencatat

digunakan sebagai koreksi, seperti terlihat pada Gambar 2.12.

Proses


Umpan Balik

Proses

Input Output

Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup

Masing-masing dari sistem kontrol baik itu loop terbuka maupun loop

tertutup mempunyai kelebihan dan kelemahan yaitu :

Kelebihan sistem kontrol loop terbuka adalah :

1. Konstruksinya sederhana dan perawatannya mudah.

2. Lebih murah daripada sistem kontrol loop tertutup.

3. Tidak ada persoalan kestabilan.

4. Cocok digunakan jika keluaran sulit diukur atau secara ekonomi tidak

layak. (sebagai contoh, mengusahakan suatu peralatan untuk mengukur

kualitas keluaran pemanggang roti adalah cukup mahal).

Kelemahan sistem kontrol loop terbuka adalah :

1. Gangguan dan perubahan kalibrasi akan menimbulkan kesalahan, sehingga

keluaran mungkin berbeda dengan yang diinginkan.

2. Untuk menjaga kualitas yang diperlukan pada keluaran diperlukan

kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.

3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat

diramalkan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen

sistem.


Kelebihan sistem kontrol loop tertutup adalah :

1. Tidak memerlukan kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.

2. Dapat digunakan untuk komponen-komponen yang kurang teliti dan

murah untuk mendapatkan pengontrolan plant yang teliti.

3. Dapat digunakan pada sistem jika terdapat gangguan yang tidak dapat

diramalkan atau perubahan yang tidak dapat diramal pada komponen

sistem.

Kelemahan sistem kontrol loop tertutup adalah :

1. Kestabilan selalu merupakan persoalan utama karena cenderung terjadi

kesalahan akibat koreksi berlebih yang dapat menimbulkan osilasi pada

amplitudo konstan maupun berubah.

2. Harga lebih mahal daripada sistem kontrol loop terbuka.


sensor dan tranduser

Documents

Transcript of sensor dan tranduser