LAPORAN PRAKTIKUM KE-2

SENSOR GETARAN DAN ASELERASI

Disusun oleh :

Ribut Wahidin (G74100009)

Sugandi (G74100044)

Dini Novialisa (G74100046)

Hari dan tanggal praktikum : kamis, 7 Maret 2013

Tanggal pengumpulan laporan : 15 Maret 2013

Asisten :

1. Rian Maryanto

2. Agie Maliki Akbar

3. Miko Saputra

4. Kris Situmorang

LABORATORIUM FISIKA LANJUT

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2013

Abstrak :

Getaran merupakan suatu gerak bolak-balik disekitar kesetimbangan. Metode utama untuk mendeteksi getaran yaitu deteksi mekanik dan deteksi suara akustik. Metode-metode ini tergabung dalam sebuah alat yang dikenal sebagai sensor getaran (vibrasi). Namun ketika alat ini dikenai gelombang kejut maka alat ini dinamakan dengan sensor kejut (shock sensor). Penerapan sensor getaran ini dalam kehidupan sangat banyak sekali karena hakekatnya setiap benda bergerak akan mengalami fenomena getaran, sehingga berdasarkan fenomena ini kita bisa mengkonversi besaran getaran tersebut menjadi besaran listrik. Dalam percobaan ini dilakukan pengamatan mengenai sensor yang berbasis gelombang bunyi yaitu gelombang ultrasonik (ultrasonic sensor) yang berfungsi sebagai pendeteksi jarak. Prinsipnya adalah unit pemancar bervibrasi dan menghasilkan gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke udara dan gelombang pantulnya diterima kembali oleh sensor penerimanya dan diolah menjadi besaran listrik. Hasil percobaan didapatkan hubungan jarak antara transmitter dan receiver yang sebanding dengan kenaikan frekuensi dan tegangan puncak. Kemudian percobaan terakhir dalam praktikum ini mendeteksi dan mengukur percepatan getaran (vibrasi) menggunakan sensor kejut, yang dikenal sebagai sensor percepatan (Accelerometer sensor). Prinsipnya adalah mengukur percepatan akibat pergerakan yang melekat pada suatu benda yang diukur. Hasilnya yaitu hubungan ketinggian jatuhnya shock sensor yang berbanding lurus terhadap tegangan output puncak.

Kata kunci : Accelerometer, Sensor Getaran, Ultrasonik

Pendahuluan :

Sistem teknologi informasi merupakan sistem yang sangat pesat perkembangannya dalam dunia telekomunikasi. Salah satu peralatan dalam teknologi terkini adalah sistem pendeteksi level getaran secara otomatis. Sistem ini mampu memberikan informasi berupa parameter level getaran yang direspon oleh sensor. Melalui informasi ini orang dapat menghindari terjadinya kerusakan atau kerugian materil yang sangat fatal. Getaran merupakan suatu gerak bolak-balik disekitar kesetimbangan. Pengukuran parameter getaran mekanis tersebut sangat penting dalam berbagai aplikasi. Parameter ini dapat berupa amplitudo, kecepatan, dan percepatan getaran.

Pada perkembangannya pendeteksi level getaran dapat menggunakan barbagai sensor maupun alat lainnya dalam merespon suatu getaran. Diantaranya menggunakan sensor getar, sensor percepatan dan alat lainnya yang di-cover menggunakan bahan osilator dengan sebuah pegas didalamnya sebagai indikator. Sensor untuk mendeteksi getaran adalah detektor getaran (vibrasi), namun ketika alat ini dikenai gelombang kejut maka alat ini dinamakan dengan sensor kejut

(shock sensor). Sebuah detektor harus memiliki perpindahan mekanik untuk menghasilkan sinyal alarm, getaran peralatan deteksi tidak hanya cocok untuk lemari arsip, kubah, strongrooms, brankas dan obyek perlindungan khusus, tetapi juga cocok untuk sistem lain dalam kombinasi, untuk mencegah penyusup dari dinding. Cara menggunakan detektor getaran dalam aplikasi yang sangat penting, ini sering digunakan untuk memberikan perlindungan pada sebuah objek khusus. Terdapat dua metode utama untuk mendeteksi getaran yaitu deteksi mekanik, yang bekerja (on/off) dengan menggunakan gerakan mekanis, dan deteksi suara akustik yang bekerja dengan pemantulan gelombang bunyi. Perbandingannya mengadopsi deteksi suara akustik, sedangkan deteksi detektor getaran mekanis hanya mendeteksi getaran fisik yang sebenarnya. Detektor getaran yang didasarkan pada deteksi suara akustik misalnya adalah mikrofon. (Fatkhur, 2007)

Accelerometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur percepatan, mendeteksi dan mengukur getaran (vibrasi), dan mengukur percepatan akibat gravitasi (inklinasi). Sensor accelerometer mengukur percepatan akibat gerakan benda yang melekat padanya. Untuk aplikasi yang lebih lanjut, sensor ini banyak digunakan untuk keperluan navigasi. (Rahman, 2009). Selain itu, dalam usaha untuk memperkecil terjadinya kecelakaan lalulintas terutama bagi yang mengemudikan mobil, saat ini terdapat pula suatu alat untuk mendeteksi jarak suatu objek (kendaraan) di sekitar kendaraan. Sehingga pengemudi lebih mudah mengatur posisi mobilnya agar tidak terlalu dekat dengan kendaraan yang berada di depannya. Untuk membantu memperkirakan jarak aman, Indikasi yang dimunculkan oleh alat ini adalah nyala LED apabila terdapat obyek di sekitar kendaraan dalam jarak tertentu, hal ini yang harus diwaspadai sesuai dengan gigi transmisi yang sedang digunakan. Selain itu alat ini juga akan menampilkan jarak antara objek dan kendaraan pada layar LCD. Alat ini dikendalikan sepenuhnya oleh sebuah mikrokontroler dengan sebuah sensor (sensor ultrasonik) yang memiliki fungsi untuk mendeteksi jarak pada suatu sisi beserta komponen-komponen penunjangnya. (Asteria, 2008)

Gelombang ultrasonik merupakan gelombang akustik yang memiliki frekuensi tinggi yaitu di atas 20 kHz. Seperti halnya gelombang infrasonik, gelombang ultrasonik juga tidak dapat dengar oleh manusia. Jika dianalogikan pada optik adalah sinar ultraviolet yang tidak dapat dilihat karena mempunyai frekuensi yang tinggi (panjang gelombang < 400 nm). Batas tertinggi frekuensi gelombang ultrasonik masih belum dapat ditentukan dengan jelas. Namun daerah-daerah yang dapat ditentukan adalah frekuensi yang biasa dipakai dalam berbagai aplikasi. Aplikasi yang membutuhkan penggunaan intensitas tinggi (macrosonic) biasanya digunakan frekuensi dari puluhan kilohertz hingga ratusan kilohertz. Demikian juga aplikasi di bidang akustik bawah air (underwater acoustics). Penggunaan frekuensi rendah ini disebabkan karena attenuasi yang kecil (berbanding lurus dengan kuadrat frekuensi). (Tipler, 1991)

Modul Sensor Ultrasonik terdiri atas dua unit, yaitu unit pemancar dan unit penerima. Struktur unit pemancar dan unit penerima sangatlah sederhana yaitu hanya sebuah kristal piezoelectric dihubungkan dengan mekanik jangkar dan hanya dihubungkan dengan difragma bergetar. Struktur atom dari kristal piezoelectric akan berkontraksi mengembang atau menyusut terhadap polaritas tegangan yang diberikan. Kontraksi yang terjadi diteruskan ke diafragma bergetar sehingga akan terbentuk gelombang ultrasonic yang dipancarkan ke udara. Pantulan gelombang akan terbentuk apabila ada objek tertentu dan akan diterima kembali oleh sensor penerima. Kemudian unit sensor penerima akan menjadi penyebab bergetarnya daifragma dn efek piezoelectric menghasilkan sebuah tegangan DC dengan besar frekuensi sama yang bisa digunakan untuk menyalakan LED ataupun LCD sebagai indikator output. (Slamet, 2010)

Modul sensor ultrasonik mendeteksi jarak objek dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik (40 kHz) selama BURST (200 μs) kemudian mendeteksi pantulannya. Gelombang ultrasonik ini merambat di udara dengan kecepatan 344 meter per detik, mengenai objek dan memantul kembali ke sensor. Modul sensor menghasilkan pulsa output high setelah memancarkan gelombang ultrasonik dan setelah gelombang pantulan terdeteksi modul sensor akan mendesain output low. Modul sensor ultrasonik memancarkan gelombang ultrasonik sesuai dengan kontrol dari mikrokontroler pengendali. (Asteria, 2008)

Tujuan dilakukan percobaan ini adalah untuk memahami karakteristik transduser ultrasonik dan sensor ultrasonik dan mencoba dasar-dasar komunikasi berbasis gelombang ultrasonik. Selain itu, pada percobaan ini juga melakukan pengukuran terhadap percepatan sebuah objek jatuh dengan menggunakan sensor kejut (shock sensor).

Metode :

Pada percobaan 1, hubungkan peralatan sesuai dengan gambar diatas. Setelah power dihidupkan, variasikan jarak transmitter dan receiver. Set frekuensi yang diinginkan untuk 40 kHz dengan 2 frekuensi lainnya bebas. Hasil yang terlihat pada osiloskop berupa gelombang-gelombang yang bila diukur puncak ke puncaknya maka praktikan akan mendapatkan nilai tegangan. Sedangkan untuk data menggunakan kayu ataupun besi, pada jarak yang diberikan sebelumnya transmisikan sinyal menuju benda tersebut layaknya pantulan sinyal. Amati perbedaan sinyal yang diterima.

Untuk percobaan dengan sensor kejut, hubungkan peralatan seperti gambar diatas dengan men-set osiloskop pada 0,2 V/Div dan 10 mS/Div. Variasikan jarak jatuh sensor dan baca pembacaan pada osiloskop untuk tegangan puncak-puncaknya. Sebelum menjatuhkan sensor, jangan lupa menekan tombol reset untuk discharge C1.

Hasil dan pembahasan :

Tabel 1. Data kuat sinyal (Volt) vs jarak transmitter-receiver

 Jarak (cm) 20 kHz40 kHz

60 kHz

0 cm 0,3 V 5,2 V 200 mV

5 cm200 mV

1,8 V 100 mV

10 cm450 mV

1,4 V 75 mV

15 cm350 mV

1 V 50 mV

Tabel 2. Data kuat sinyal (Volt) vs jarak transmitter-receiver pada kayu dan besi

Jarak (cm)Kayu 40 kHz

Besi 40 kHz

0 1,6 V 1,3 V

5 1 V 0,7 V

10 0,6 V 0,6 V

15 0,5 V 0,4 V

Hubungan antara kuat sinyal dengan jarak yaitu semakin bertambahnya jarak maka besar kuat sinyalnya akan melemah, demikian pula sebaliknya. Dari data dan grafik dapat dilihat bahwa hubungan jarak dan kuat sinyal (tegangan) pada frekuensi 40 kHz diperoleh hubungan yang linear bila dibandingkan pada frekuensi yang lainnya yang dipengaruhi oleh faktor atenuasinya. Faktor yang

menyebabkan perbedaan kuat sinyal yang diterima antara bahan logam dan kayu adalah pengaruh absorpsi atau penyerapan gelombang. Kedua bahan pemantul ini mempengaruhi dalam melemahkan kuat sinyal yang dipancarkan. Berdasarkan data diperoleh bahwa logam memantulkan sinyal dan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar atau baik daripada kayu. Hal ini terjadi karena logam mempunyai struktur bahan yang stabil sehingga memiliki nilai gangguan atau absorpsi lebih kecil dari pada kayu.

Fungsi dari rangkaian sensor amplifier atau penguat yaitu sebagai penguat sinyal dari sumber sinyal, dalam hal ini arus dan tegangan. Sedangkan rangkaian rectifier atau penyearah yaitu rangkaian yang berfungsi untuk menjadikan gelombang yang mempunyai lebih dari satu arah menjadi gelombang satu arah. Dalam hal ini merubah arus AC ke DC.

Gambar pada rangkaian sensor yang dihubungkan rangkaian rectifier lebih stabil daripada gambar pada rangkaian non-rectifier, dikarenakan pengaruh dari rangkaian penyearah atau rectifier yang berfungsi untuk menyearahkan sumber tegangan yang tidak stabil menjadi stabil (AC ke DC).

Gambar a. Menggunakan Rectifier Gambar b. Nonrectifier

Fungsi tombol reset pada percobaan sensor kejut adalah untuk mengkalibrasi data yang akan digunakan pada percobaan berikutnya menjadi nol sehingga tidak ada data yang tersimpan dari data sebelumnya. Tombol reset ini akan ditekan untuk men-discharge nilai simpanan. Pengamatan pada sensor kejut menghasilkan nilai maksimum dan nilai stabil tegangan yang selalu berubah karena pengaruh kejutan pada sensor. Untuk kurva tegangan output puncak dan ketinggian diberikan pada data dibawah ini.

Tabel 3. Tegangan output puncak dan ketinggian

ketinggian (cm) 2 4 6 8tegangan output puncak (V) 1,73 1,73 1,74 2,12

Rangkaian detektor puncak (peak detector) adalah rangkaian yang terdiri dari hubungan seri sebuah dioda dengan kapasitor yang menghasilkan output, secara teori, berupa tegangan DC yang sama dengan amplitudo puncak (Vp) tegangan AC sebagai input. Rangkaian ini identik dengan penyearah setengah gelombang dengan sebuah kapasitor. Keluran puncak dari rangkaian ini adalah nilai maksimum dari sinyal input.

Kesimpulan :

Setelah melakukan karakterisasi transduser dan sensor ultrasonik, didapatkan hasil bahwa semakin jauh jarak transmitter-receiver akan mengurangi output tegangan yang terukur. Untuk pengaruh bahan pantulan, semakin kuat daya absorpsi (bergantung pada jenis bahan) bahan maka semakin kecil nilai output tegangan. Tegangan terukur pada besi lebih besar daripada kayu karena besi memiliki kemampuan absorpsi yang kecil. Sedangkan output tegangan sebagai nilai aselerasi, kurva linier didapatkan untuk menunjukkan hubungan ketinggian terhadap tegangan.

Daftar pustaka :

Alma’I, Vidi Rahman. 2009. Aplikasi Sensor Accelerometer Pada Deteksi Posisi. Makalah Seminar Tugas Akhir. Semarang: Universitas Diponegoro.

Asteria, Nyssa. 2008. Detektor Jarak Dengan Sensor Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler. Jetri, Volume 7, Nomor 2, Februari 2008, Halaman 41-52. Universitas Trisakti.

Rahman, fatkhur. 2007. Rancang Bangun Sistem Pendeteksi Level Getaran Menggunakan Sensor Geofon Dengan Penampil Borland Delphi 7.0 Pada Monitor Komputer. Skripsi. Semarang: universitas diponegoro

Slamet, Hani. 2010. Sensor Ultrasonik SRF05 Sebagai Memantau Kecepatan Kendaraan Bermotor. Yogyakarta: Ist Akprind

Tipler, Paul A. 1991. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Erlangga