TUGAS SENSOR

SENSOR MAGNETIK: FLUXGATE

Kelompok 3 :

Ganjar Nurohman (140310100043)

Marrisa A.E.P (140310100065)

Yusup Gozali (140310100014)

Desi Irawati (140310100036)

Ronald Samuel Pasaribu (140310100044)

Rani Purbasari (140310100050)

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

2012

Sensor Magnetik

Sensor merupakan alat untuk mendeteksi suatu rangsangan yang berasal

dari lingkungan atau benda yang berada diluar sistem. Rangsangan bisa berupa

besaran-besaran fisika. Rangsangan ini, kemudian diubah oleh sensor menjadi

besaran listrik atau sinyal. Pada dasarnya sensor merupakan bagian dari suatu

sistem yang tidak bisa berdiri sendiri. Perlu adanya rangkaian listrik pengolah

sinyal, untuk membuat keluaran dari sensor menjadi bermakna dan mempunyai

arti fisis.

Sensor terdiri dari berbagai macam dan salah satunya adalah sensor

magnetik. Sensor magnetik adalah alat yang akan terpengaruh medan magnet dan

akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran. Biasanya sensor ini dikemas

dalam bentuk kemasan yang hampa dan bebas dari debu, kelembapan, asap

ataupun uap. Sensor magnetik merupng bekerja dengan memanfaatkan perubahan

induktansi. Adapun perubahan induktansi tersebut disebabkan oleh :

a. Pergerakan inti feromagnetik dalam koil (kumparan)

b. Bahan feromagnetik yang mendekat

Sensor magnetik itu sendiri terbagi menjadi beberapa macam dan salah satunya

adalah sensor fluxgate. Sensor Fluxgate adalah sensor yang berfungsi untuk

mengukur kekuatan medan magnet di sekitar sensor atau perbedaan kuat medan

diantara dua titik yang berbeda di dalam dua inti sensor. Berdasarkan prinsip

kerjanya, sensor fluxgate terdiri dari lilitan eksitasi yang berfungsi sebagai

pembangkit daya luar yang akan diberikan kepada lilitan pick up untuk

menghasilkan sinyal keluaran. Daya luarnya berasal dari medan magnet

lingkungan (eksternal) yang dianggap oleh sistem (sensor fluxgate) sehingga

keberadaan dan besarnya medan magnet dari luar dapat terditeksi. Dalam

mengukur medan magnet terdapat dua cara yaitu mengukur langsung medan

magnet dengan mengunakan magnetometer. Cara ini cukup sederhana, namun

tidak bisa digunakan untuk mengukur medan magnet lemah. Sensor magnetik

fluxgate tidak menggunakan cara langsung, tetapi menggunakan medan magnet

referensi B ref untuk dibandingkan dengan medan magnet yang akan diukur B ext

menggunakan wadah (probe) yang diisi dengan bahan inti (core). Secara skema

prinsip ini ditampilkan pada Gambar 1.1

Gambar 1.1: Metode Pengukuran Medan Magnet a) Secara Langsung Tanpa Menggunakan

sinyal referensi b) Dengan Menggunakan Sinyal Referensi

Medan magnet referensi, bisa berbentuk sinyal bolak-balik sinusoida, persegi ,

atau segitiga, dieksitasikan pada inti melalui kumparan primer. Medan magnet

referensi B ref disuperposisikan dengan medanmagnet yang akan diukur B ext

pada bahan inti, ditangkap oleh kumparan sekunder (pick-up coil) untuk

dievaluasi. Sensitivitas sensor fluxgate sangat bergantung pada permeabilitas

bahan inti. Bahan inti yang digunakan berupa bahan yangdapat dimagnetisasi

dengan permeabilitas yang tinggi, induksi magnetik saturasi pada 0,55 T, dan

medan koersivitas yang rendah. Pemilihan bahan ini akan sangat menentukan

kualitas sensor. Bahan inti yang sering digunakan adalah Metglas dan Vitrovac,

tetapi Vitrovac lebih tahan terhadap suhu tinggi dan pengaruh mekanikdari luar.

Sensitivitas sensor ini juga dipengaruhi oleh beberapa elemen seperi jumlah

lilitan, luas penampang core dan medan magnet. Persamaan matematis dari

sensitivitas sensor magnet adalah sebagai berikut :

........(1)

.........(2)

........(3)

.........(4)

Di mana, B adalah medan magnet

N adalah jumlah lilitan

L adalah panjang core

V adalah tegangan keluaran

I adalah arus yang masuk pada rangkain sensor magnetik

Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa yang mempengaruhi sensitivitas

sensor adalah perubahan medan magnet terhadap waktu, jumlah lilitan.

Sensor magnetik fluxgate dibuat berdasarkan karakteristik inti

feromagnetik yang linier. Dalam bentuk yang sederhana, sensor magnetik fluxgate

terdiri dari dua kumparan, yaitu kumparan primer untuk eksitasi (A) dan

kumparan sekunder untuk pick-up (B), seperti terlihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Bentuk sederhana sensor magnetik fluxgate

Kumparan eksitasi merupakan kumparan yang digunakan untuk

membangkitkan medan magnet. Prinsipyang terjadi pada kumparan eksitasi ini

adalah medanmagnet yang timbul berdasarkan prinsip solinoida dimana medan

magnet timbul akibat adanya medan listrik (HukumFaraday). Kumparan sekunder

adalah kumparan yang berfungsi untuk menangkap perubahan medan magnet

yang di timbulkan oleh kumparan eksitasi. Pada kumparan sekunder, medan

magnet yang dihasilkan oleh kumparan eksitasi akan diterima oleh kumparan

sekunder dan menghasilkan Garis Gaya Listrik (GGL) induksi. Besarnya GGL

induksi yang terjadi salah satunya ditentukan oleh banyaknya garis gaya magnet

yang mampu ditangkap oleh penampang dari kumparan. Perubahan medan

magnet luar yang diterima oleh kumparan sekunder ini akan menghasilkan

perubahan arus. Konfigurasi lilitan yang baik akan meningkatkan ketelitian karena

medan yang akan diukur tidak mengalami distorsi yang berasal dari inti. Sensor

ini merupakan salah satu sensor yang paling cocok untuk mengukur medan magnet.

DC/AC frekuensi rendah dalam daerah medan magnet 1nT-1mT . Untuk

mengevaluasi tegangan keluaran sensor fluxgate digunakan fungsi transfer. Fungsi

transfer suatu sensor magnetik fluxgate yang mengevaluasi tegangan keluaran

sensor dapat dihitung menggunakan pendekatan polinomial dan dengan mencari

komponen frekuensi yang ada di dalam kerapatan fluks magnetik inti sensor.

Tegangan keluaran Vout dari kumparan sekunder juga sesuai dengan

turunan waktu rapat fluks di dalam inti, amplitudo tegangan keluaran induksi

dilukiskan dengan hukum Faraday :

...........(5)

Di mana nilai fluks magnet diperoleh dengan

................(6)

Perubahan fluks magnet terhadap waktu berupa persamaan di bawah ini

Dan untuk mendapatkan nilai tegangan diperloeh dengan

persamaan

Maka diperoleh nilai tegangan keluaran sebesar

..........(8)

............(9)

Keterangan :

N adalah jumlah lilitan kumparan sekunder

A adalah luas bidang potong inti sensor

V adalah tegangan keluaran

Elemen sensor dan rangkaian elektronika sensor fluxgate merupakan

keseluruhan sistem yang terintegrasi. Rangkaian elektronik sensor fluxgate terdiri

dari rangkaian eksitasi dan rangkaian pengolah sinyal. Sensor fluxgate tidak dapat

bekerja tanpa adanya rangkaian eksitasi dan sinyal yang dihasilkan oleh sensor,

perlu diolah terlebih dahulu melalui rangkaian pengolah sinyal. Rangkaian

eksitasi berfungsi sebagai pembangkit gelombang medan eksitasi. Rangkaian ini

terdiri dari osilator, pembagi frekuensi, dan buffer. Sedangkan rangkaian pengolah

sinyal terdiri dari penguat awal, detektor fasa, integrator dan penguat akhir.

Keseluruhan sistem rangkaian ini dapat ditunjukan melalui diagram blok pada

gambar 3.

Tegangan keluaran V out dari elemen sensor diolah dengan menggunakan

rangkaian pengolah sinyal. Pengolah sinyal sensor terdiri dari beberapa bagian,

yaitu differensiator, detektor, sinkronisasi fasa, integrator, dan penguat akhir.

Secara skematik diagram ini ditampilkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Diagram Pengolahan Sinyal Sensor Fluxgate

Osilator menghasilkan gelombang kotak yang memiliki frekuensi dengan

orde MHz. Frekuensi ini kemudian dibagi oleh rangkaian pembagi frekuensi

menghasilkan frekuensi fo dan 2fo yang berkode KHz. Frekuensi fo yang terlebih

dahulu melalui buffer digunakan untuk membangkitkan sensor. Keluaran sensor

yang berupa gelombang sinusoidal kemudian dikuatkan oleh penguat awal.

Rangkaian penguat awal terdiri dari pengubah tegangan dan differensiator.

Kemudian sinyal diteruskan ke detektor fasa. Detektor fasa berfungsi untuk

meneruskan sinyal dengan fasa kelipatan2. Sehingga keluaran dari rangkaian ini

berupa sinyal yang telah disearahkan. Sinyal yang telah disearahkan ini kemudian

diratakan oleh rangkaian integrator menjadi sinyal DC. Terakhir sinyal DC ini

dikuatkan oleh rangkaian penguat akhir dalam bentuk rangkaian penguat non-

inverting

Aplikasi Sensor Fluxgate

Penggunaan sensor magnetik dalamdunia teknik, terutama dalam teknik

pengukuran dan kontrol semakin berkembang sejalan dengan kemajuan teknologi,

antara lain untuk penelitian bahan-bahan magnetik, geofisika, ruang angkasa,

sistem navigasi (mendeteksi barang bawaan transportasi), pemetaan medan

magnet bumi, kompas elektronik, dan penentuan posisi benda atau sensor jarak

dalamorde kecil. Untuk pengukuran jarak dalam orde kecil (proximity),

dibutuhkan sebuah sensor rmagnetik dengan resolusi dan akurasi yang tinggi.

1. Pengukuran Jarak

Pengukuran jarak dilakukan dengan meletakkan sebuah target dari bahan

konduktor sebagai medan pengganggu. Sumber medan magnet yang dihasilkan

oleh sensor akan mengenai target. Didalam target, medan magnet yang terjadi

akan berubah menjadi listrik induksi (hukum Faraday). Akibat adanya arus

induksi pada target, maka akan timbul magnet induksi di sekitarnya. Besarnya

magnet induksi yang tejadi akan berpengaruh terhadap intensitas medan magnet

yang diterima oleh pick-up coil. Perubahan intensitas yang terjadi sebanding

dengan perubahan jarak antara target dengan sensor. Skema pengukuran yang

dilakukan tampak seperti pada Gambar dibawah.

perubahan jarak yang terjadi antara target dengan sensor akan berbanding terbalik

dengan perubahan tegangan yang dihasilkan.

Hal ini berarti medan magnet yang diterima oleh sensor akan sebanding

dengan jarak yang terjadi, karena perubahan medan magnet akanmenyebabkan

perubahan tegangan keluaran sensor. Dari data yang didapatkan dapat diketahui

besarnya kesalahan absolut pengukuran dan kesalahan relatifnya. Sensor

magnetik fluxgate dapat digunakan untuk mengukur jarak yang sangat kecil tanpa

sentuh.

2. SENSOR MAGNETIK GMR

Sensor magnetik berbasis GMR (giant magnetoresistance) merupakan sensor

yang bekerja berdasarkan efek perubahan resistansi yang sangat besar pada bahan

logam bila berada dalam medan magnet luar. Material GMR memiliki

magnetoresistance yang sangat besar sehingga memiliki potensi untuk

dikembangkan menjadi devais pendeteksi medan magnet. Penggunaan material

GMR sebagai sensor medan magnet, memiliki beberapa kelebihan dibandingkan

sensor lainnya yakni: sensitivitas yang tinggi, kestabilan temperatur tinggi,

konsumsi daya rendah, ukuran kecil dan harga murah, sifat magnetik dapat

bervariasi dalam rentang yang sangat luas.

Prinsip dasar dari magnetoresistance (MR) adalah perubahan resistivitas

material sebagai akibat dari respon terhadap keberadaan medan magnet luar.

Fenomena efek GMR ini pertama kali dilaporkan oleh Baibich, dkk. (1988)

erubahan resistansi GMR sebagai akibat keberadaan magnet luar secara umum

dituliskan melalui persamaan :

R = f (B) …………………………………………(10)

dengan R adalah resistansi, B adalah medan magnet.

Efek GMR merupakan efek mekanika kuantum yang diamati dalam

struktur lapisan tipis yang terdiri lapisanlapisan feromagnetik yang dipisahkan

oleh lapisan nonmagnetik. Efek GMR ini berhubungan dengan kenyataan bahwa

spin elektron memiliki dua nilai yang berbeda (spin up dan spin down). Ketika

spin-spin ini melintasi material yang telah dimagnetisasi, salah satu jenis spin

mungkin mengalami hambatan (resistance) yang berbeda daripada jenis spin

lainnya. Sifat ini menunjukkan adanya hamburan bergantung spin (spin-dependent

scattering). Dalam multilayer magnetik terjadi dua jenis hamburan yaitu:

hamburan bergantung spin (spin-dependent scattering) dan hamburan pembalikan

spin (spin flip scattering)

Kajian fisika dari GMR berdasarkan pada pengaruh spin terhadap sifat

konduksi dan sifat penerobosan (tunneling) elektron-elektron dalam logam

feromagnetik

Material GMR memperlihatkan bahwa resistansinya rendah ketika arah

magnetisasi dalam lapisan-lapisan feromagnetik dalam arah sejajar, namun bila

arah magnetisasi dalam lapisan feromagnetik antisejajar, maka resistansinya

menjadi besar. Hal ini menunjukkan bahwa momen magnetik elektron internal

yang terkait dengan spinm memainkan dalam transport muatan listrik. Dalam

multilayer magnetik yang terdiri dari dua lapisan feromagnetik dengan lapisan

pemisah non magnetik, GMR memiliki rasio magnetoresistance yang amat besar.

Prinsip Eksklusi Pauli (Larangan Pauli): “Tidak ada dua elektron yang

memiliki bilangan kuantum yang sama. Jadi bila n, l, dan ml kedua elektron

semuanya sama, ms haruslah berbeda, sehingga kedua elektron tersebut memiliki

spin berlawanan (antisejajar).”

Daftar Pustaka

behaviorurldefaultvmlo.html (Diakses pada 04/10/2012;19:50)

http://lemlit.unila.ac.id/file/Arsip2012/Prosiding%20Seminar%20Nasional

%20SATEK%20IV/Buku%201/STK%201016.pdf

(Diakses pada 04/10/2012;20:07)

http://elibrary.ub.ac.id/handle/123456789/26344

(Diakses pada 04/10/2012;20:15)

repository.upi.edu/operator/upload/s_fis_0608504_chapter3.pdf

(Diakses pada 23/10/2012;8:15)

http://jusami.batan.go.id/dokumen/materi/22Jan12_162846_MitraJamal.pdf

(Diakses pada 25/10/2012;13:23)

http://hfi-diyjateng.or.id/sites/default/files/18/Abstrak-Sensor%20Magnetik

%20GMR,%20Teknologi%20dan%20Aplikasi%20Pengembangannya-1-

8_Inv-Sp_Mitra%20Djamal.pdf

(Diakses pada 25/10/2012;13:43)