A. Tujuan dan Capaian Pembelajaran/Kompetensi Akhir
1. Mampu memahami jenis sensor dan transduser.
2. Mampu memahami fungsi sensor dan transduser.
5.1.2 Transduser Gerak Rotasi
1) Potensiometer melingkar dan heliks
Potensiometer melingkar merupakan perangkat termurah yang tersedia untuk mengukur perpindahan rotasi. Potensiometer melingkar bekerja dengan prinsip yang hampir sama persis dengan potensiometer gerak translasi, yang membedakan yaitu jalur (track) dibengkokkan menjadi bentuk lingkaran.
Rentang pengukuran masing-masing perangkat bervariasi dari 0 – 10° hingga 0 – 360° tergantung pada apakah jalur membentuk lingkaran penuh atau hanya sebagian dari lingkaran.
Potensiometer heliks digunakan pada rentang pengukuran yang lebih besar 360 °, pada perangkat tertentu dapat mengukur hingga 60 putaran penuh (Morris, 2001).
Potensiometer heliks mengakomodasi beberapa putaran lintasan dengan membentuk lintasan menjadi bentuk heliks. Namun, kompleksitas mekanisnya yang lebih besar membuat perangkat secara signifikan lebih mahal daripada potensiometer melingkar.
Dua bentuk perangkat ditunjukkan pada Gambar 4.8. Kedua jenis perangkat memberikan hubungan linier antara kuantitas yang diukur dan pembacaan output karena tegangan output yang diukur pada kontak geser sebanding dengan perpindahan sudut slider dari posisi awalnya.
Namun, seperti halnya potensiometer jalur linier, semua potensiometer rotasi dapat memberikan masalah kinerja karena debu/kotoran di jalur yang menyebabkan hilangnya kontak.
Mereka juga memiliki umur yang terbatas karena aus di antara permukaan geser.
Gambar 4.8 Potensiometer Rotasi dan Potensiometer Heliks
Gambar 4.9 Potensiometer Rotasi
2) Rotational Differential Transformer
Rotational Differential Transformer adalah transformator diferensial yang memiliki bentuk khusus yang mengukur gerakan rotasi daripada gerak translasi (Morris, 2001).
Metode konstruksi dan hubungan lilitan persis sama dengan untuk transformator diferensial variabel linier (LVDT), hanya saja inti ferit yang berbentuk khusus digunakan yang memvariasikan induktansi timbal balik antara lilitan saat berputar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.10.
Seperti halnya LVDT, Rotational Differential Transformer tidak mengalami keausan dalam pengoperasian dan karenanya memiliki usia yang sangat panjang dengan hampir tidak ada persyaratan perawatan.
Rotational Differential Transformer juga dapat dimodifikasi untuk operasi di lingkungan yang keras dengan melilitkan belitan di dalam selungkup pelindung
Gambar 4.10 Skema Rotational Diferential Transformer
Gambar 4.11 Rotational Differential Transformer
3) Incremental Shaft Encoders
Encoders poros inkremental (Incremental shaft encoders) adalah salah satu kelas perangkat encoder yang memberikan output dalam bentuk digital.
Perangkat ini mengukur posisi sudut sesaat dari poros relatif terhadap beberapa titik datum yang berubah-ubah, tetapi tidak dapat memberikan indikasi tentang posisi absolut poros.
Prinsip operasi adalah untuk menghasilkan pulsa sebagai poros yang perpindahannya sedang diukur berputar. Pulsa – pulsa ini dihitung dan rotasi sudut total disimpulkan dari jumlah pulsa.
Pulsa dihasilkan baik dengan cara optik atau magnetik dan dideteksi oleh sensor yang sesuai.
Dari keduanya, sistem optik jauh lebih murah dan karenanya jauh lebih umum. Instrumen tersebut sangat nyaman untuk aplikasi kontrol komputer, karena pengukurannya sudah dalam bentuk digital yang diperlukan dan oleh karena
itu proses konversi sinyal analog ke digital biasa dihindari (Morris, 2001).
Gambar 4.12 Enkoder Poros Inkremental Optik
Contoh enkoder poros inkremental optik ditunjukkan pada Gambar 4.12. Dapat dilihat bahwa instrumen terdiri dari sepasang cakram, salah satunya dipasangkan dan yang lainnya berputar dengan tubuh yang perpindahan sudutnya sedang diukur.
Setiap disk pada dasarnya buram tetapi memiliki pola jendela yang memotongnya.
Disk yang tetap hanya memiliki satu jendela dan sumber cahaya sejajar dengan ini sehingga cahaya bersinar sepanjang waktu. Disk kedua memiliki dua jalur jendela yang dipotong dengan jarak yang sama di sekitar disk.
Dua detektor cahaya diposisikan di luar disk kedua sehingga satu selaras dengan masing-masing jalur jendela. Saat disk kedua berputar, lampu secara bergantian masuk dan tidak masuk ke detektor, karena jendela dan daerah buram disk lewat di depannya.
Denyut cahaya ini diumpankan ke penghitung, dengan jumlah akhir setelah gerakan berhenti sesuai dengan posisi sudut benda yang bergerak relatif terhadap posisi awal. Informasi utama tentang besarnya rotasi diperoleh oleh
detektor yang selaras dengan jalur luar jendela.
Namun, jumlah pulsa yang diperoleh dari ini tidak memberikan informasi tentang arah rotasi. Informasi arah disediakan oleh jalur jendela kedua, yang memiliki perpindahan sudut sehubungan dengan set luar jendela dengan lebar setengah jendela.
Denyut nadi dari detektor selaras dengan jalur dalam jendela karena itu tertinggal atau memimpin set pulsa primer sesuai dengan arah rotasi Encoder poros inkremental optik adalah instrumen yang populer untuk mengukur perpindahan sudut relatif dan sangat andal.
Encoder poros inkremental optik juga umum digunakan dalam keadaan di mana perpindahan translasi telah ditransformasikan menjadi rotasi dengan gearing yang sesuai.
Salah satu contoh praktik ini adalah dalam mengukur
gerakan translasi dalam mesin bor yang dikontrol secara numerik (NC).
Gearing khusus yang digunakan untuk ini akan memberikan satu revolusi per mm perpindahan translasi. Dengan menggunakan enkoder poros tambahan dengan 1000 jendela per trek dalam pengaturan seperti itu, resolusi
pengukuran 1 mikron diperoleh.
4) Coded-Disc Shaft Encoders
Tidak seperti encoder poros inkremental yang memberikan output digital dalam bentuk pulsa yang harus dihitung, encoder poros digital memiliki output dalam bentuk angka biner dari beberapa digit yang menyediakan pengukuran absolut posisi poros (Morris, 2001).
Gambar 4.13 Coded-Disc Shaft Encoders
Encoder digital memberikan akurasi dan keandalan yang tinggi. Mereka sangat berguna untuk aplikasi kontrol komputer, tetapi mereka memiliki biaya yang jauh lebih tinggi daripada encoders tambahan. Ada tiga bentuk berbeda,
masing-masing menggunakan sistem energi optik, listrik, dan magnetik.
5) Resolver
Resolver atau juga dikenal sebagai resolver-sinkronisasi, adalah perangkat elektromekanis yang memberikan keluaran analog dengan aksi transformator.
Secara fisik, resolver menyerupai motor a.c. dan memiliki diameter mulai dari 10 mm hingga 100 mm (Morris, 2001). Resolver tanpa gesekan dan dapat diandalkan dalam operasi karena mereka tidak memiliki permukaan kontak bergerak, dan sehingga resolver memiliki umur yang panjang.
Resolver memberikan resolusi pengukuran 0,1%, memiliki dua lilitan stator, yang dipasang pada sudut kanan satu sama lain, dan sebuah rotor, yang dapat memiliki satu atau dua lilitan.
Saat posisi sudut rotor berubah, tegangan output berubah. Konfigurasi resolver yang lebih sederhana dengan hanya satu lilitan pada rotor diilustrasikan pada Gambar 4.14.
Resolver ada dalam dua bentuk terpisah yang dibedakan menurut apakah tegangan keluaran berubah dalam amplitudo atau perubahan fasa ketika rotor berputar relatif terhadap lilitan stator.
Gambar 4.14 Konfigurasi Resolver
6) Sycro
Sycro adalah perangkat elektromekanis seperti motor dengan output analog. Sycro memiliki tiga lilitan stator, instrumen ini memiliki penampilan dan operasi yang sama dengan resolver dan memiliki rentang dimensi fisik yang sama.
Rotor sycro memiliki bentuk dumb-bell seperti resolver dan memiliki satu atau dua lilitan.
Sycro digunakan untuk pengukuran posisi sudut, terutama dalam aplikasi militer, mencapai tingkat akurasi dan resolusi pengukuran yang sama dengan encoders digital.
Salah satu aplikasi yang umum adalah pengukuran sumbu pada peralatan mesin, di mana gerakan translasi alat diterjemahkan ke dalam perpindahan rotasi dengan gearing yang sesuai.
Sychro tahan terhadap suhu tinggi, kelembaban tinggi, goncangan dan getaran sehingga cocok untuk operasi dalam kondisi lingkungan yang keras. Masalah perawatan pada sychro yaitu ring slip dan sistem sikat yang digunakan untuk memasok daya ke rotor.
7) Potensiometer Induksi
Instrumen ini termasuk kelas yang sama dengan resolver dan sinkronisasi tetapi hanya memiliki satu lilitan rotor dan satu lilitan stator. Potensiometer Induksi memiliki ukuran dan penampilan yang mirip dengan perangkat lain di kelas (Morris, 2001).
Eksitasi fase tunggal sinusoidal diterapkan pada lilitan rotor dan ini menyebabkan tegangan keluaran pada lilitan stator melalui induktansi timbal balik yang menghubungkan kedua lilitan. Besarnya tegangan stator yang diinduksi ini bervariasi dengan rotasi rotor.
Variasi output dengan rotasi secara alami sinusoidal jika kumparan luka sedemikian rupa sehingga bidang mereka terkonsentrasi pada satu titik, dan hanya kunjungan kecil dapat dibuat jauh dari posisi nol jika hubungan output tetap sekitar linier.
Namun, jika lilitan rotor dan stator didistribusikan di sekitar keliling dengan cara khusus, hubungan yang kira-kira linier untuk perpindahan sudut hingga 90° dapat diperoleh.
8) Giroskop
Giroskop (gyroscope) mengukur perpindahan sudut absolut dan kecepatan sudut absolut. Dominasi giroskop mekanik, roda berputar di pasar kini ditantang oleh giroskop optik yang baru diperkenalkan.
Giroskop mekanik pada dasarnya terdiri dari roda besar yang digerakkan motor yang momentum sudutnya sedemikian rupa sehingga sumbu rotasi cenderung tetap melekat di ruang angkasa, sehingga bertindak sebagai titik referensi. Bingkai gyro melekat pada tubuh yang gerakannya harus diukur.
Output diukur dari sudut antara bingkai dan sumbu roda pemintalan. Dua bentuk giroskop mekanik yang berbeda digunakan untuk mengukur perpindahan sudut, gyro bebas, dan gyro pengintegrasi laju.
Jenis ketiga dari giroskop mekanik, laju giro, mengukur kecepatan sudut.
Gambar 4.15 Sensor Giroskop
9) Tachometer
Tachometer adalah sebuah alat pengujian yang dirancang untuk mengukur kecepatan rotasi dari sebuah objek, seperti alat pengukur dalam sebuah mobil yang mengukur putaran per menit (RPM) dari poros engkol mesin.
Gambar 4.16 Tachometer
Kata tachometer berasal dari kata Yunani tachos yang berarti kecepatan dan metron yang berarti untuk mengukur.
Fungsi dari Tachometer adalah digunakan untuk mengukur putaran pada sebuah mesin, khususnya jumlah putaran yang sedang dilakukan oleh sebuah poros dalam satuan waktu dan ini biasanya dipakai untuk peralatan kendaraan bermotor.
Biasanya mempunyai layar yang menunjukkan kecepatan putaran per menitnya. Berbagai jenis sensor digunakan, seperti optik, induktif dan magnetik. Karena pada setiap tanda yang dideteksi, maka pulsa dihasilkan sebagai input ke penghitung pulsa elektronik.
Biasanya, kecepatan jumlah pulsa dihitung dalam satuan waktu, yang menghasilkan informasi tentang kecepatan rata-rata.
Jika kecepatannya berubah, kecepatan sesaat dapat dihitung pada setiap saat waktu ketika pulsa keluaran terjadi. Dalam sirkuit ini, pulsa dari gerbang transduser menghasilkan pulsa dari clock 1 MHz ke penghitung.
Logika kontrol me-reset penghitung dan memperbarui nilai output digital setelah menerima setiap pulsa dari transduser. Resolusi pengukuran sistem ini adalah tertinggi ketika kecepatan rotasi rendah.
Tachometer analog kurang akurat dibandingkan dengan tachometer digital, tetapi masih digunakan di banyak aplikasi.
D.C. tachometer memiliki keluaran yang kira-kira sebanding dengan kecepatan putarannya. Struktur dasarnya identik dengan yang ada pada standar generator DC yang digunakan untuk menghasilkan daya.
Kedua tipe magnet permanen dan tipe medan ter-eksitasi digunakan terpisah. Namun, beberapa aspek disain dioptimalkan untuk meningkatkan akurasinya sebagai instrumen pengukur kecepatan.
Salah satu modifikasi disain yang signifikan adalah mengurangi bobot rotor dengan membuat lilitan pada cangkang kerang berongga. Efek dari ini adalah untuk meminimalkan efek pemuatan instrumen pada sistem yang sedang
diukur.
Tegangan DC keluaran dari instrumen adalah relatif tinggi, memberikan sensitivitas pengukuran tinggi yang biasanya 5 volt per 1000 rpm. Arah rotasi ditentukan oleh polaritas tegangan output.
Rentang pengukuran yang umum adalah 0–6000 rpm. Non-linearitas maksimum biasanya sekitar 1% dari pembacaan skala penuh.
Satu masalah dengan perangkat ini yang dapat menyebabkan kesulitan dalam beberapa keadaan adalah keberadaan riak AC dalam sinyal output, besarnya ini bisa hingga 2% dari output DC.
Ada beberapa macam cara untuk mengukur kecepatan putar pada suatu sistem secara kontinu, misalnya dengan magnetik pick-up atau tachogenerator dan yang paling sederhana yaitu dengan memakai proximity switch dan pulsa meter.
RPM = f x aRPM = f x 60/N
Keterangan:
RPM : Kecepatan putaran (RPM)
F : Frekuensi pulsa (Hz)
N : Jumlah pulsa dalam satu putaran
a : Nilai skala yang terdiri dari mantisa dan exponent.
B. Tugas
Buatlah sebuah rancangan sistem yang mengaplikasikan minimal 5 transduser input dan beberapa transduser output !
C. Daftar Pustaka
1. Badano, A. (2003) ‘Principles of Cathode-Ray Tube and Liquid Crystal Display Devices’, Syllabus: a categorical course in diagnostic radiology …, 20857(January 2003), pp. 91–102. Available at:
http://www.engin.umich.edu/class/ners580/nersbioe_481/lectures/pdfs/RSNA2 003_DR_PrincCRT+LCD_Badano.pdf.
2. Columbia University (no date) Thermocouples and Pyroelectric Detectors.
Available at:
http://www.columbia.edu/itc/chemistry/ARCHIVE/chemc1500TL/experiments/session3/thermocouple/thermocouple.html (Accessed: 12 September 2019).
3. Electronic Notes (no date a) Carbon Microphone.
Available at:
https://www.electronics-notes.com/articles/audiovideo/microphones/electretmicrophone.php (Accessed: 18 October 2019).
4. Electronic Notes (no date b) Dynamic Microphone Moving Coil Microphone Electronics Notes.
Available at: https://www.electronicsnotes.com/articles/audiovideo/microphones/moving-coil-dynamicmicrophone.php (Accessed: 22 October 2019).
5. Endress and Hauser (2017) Flow measuring technology for liquids , gases and steam. Endress and Hauser. Available at: www.endress.com.
6. Figaro Engineering Inc. (2018) Operating principle -Catalytic-type gas sensor.
Available at: https://www.figaro.co.jp/en/technicalinfo/principle/catalytictype.html (Accessed: 3 October 2019).
7. Gunathilaka, W. M. D. R. et al. (2012) ‘Ambient Radio Frequency energy harvesting’, 2012 IEEE 7th International Conference on Industrial and Information Systems, ICIIS 2012, (June 2016). doi:10.1109/ICIInfS.2012.6304789.
8. Intersil (2002) AD590 2-Wire, Current Output Temperature Transducer. Intersil.
9. Karim, S. (2016) Modul Pelihan Guru : Paket Keahlian Teknik Elektronika Industri Sekolah Menengah Kejuruan (SMK). Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif dan Elektronika, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan. doi: 10.1017/CBO9781107415324.004.
10. Morris, A. S. (2001) Measurement & Instrumentation Principles. Third. Oxford: Reed Educational and Professional Publishing Ltd.
11. Peddinti, V. K. (no date) ‘Light Emitting Diodes (LEDs) basic structures’. doi: 10.1007/s00710-007-0198-0.
12. pyromation Inc. (no date) RTD Theory.
13. SCME (2014) Introduction to Transducers, Sensors, and Actuators, Southwest Center for Microsystems Education (SCME) University of New Mexico. Albuquerque: University of New Mexico.
Available at:
http://engtech.weebly.com/uploads/5/1/0/6/5106995/more_on_transducers_sensors_actuators.pdf.
14. Sinclair, I. R. (2001) Sensors and Transducer, The British Journal of Psychiatry. Oxford: Reed Educational and Profesional Publishing Ltd. doi:10.1192/bjp.111.479.1009-a.
15. Texas Instruments (2017) LM35 Precision centigrade temperature sensors.Texas Instruments.
Available at: www.ti.com.
16. Thermo Sensor Corp. (2013) Resistance Temperature Detectors ( RTDs ). Thermo Sensors Corp.
17. Usher, M. J. (1985) Sensor And Transducer. London: Macmillan Publisher Ltd. doi:10.1192/bjp.112.483.211-a.
18. Wang, W.-C. (no date) Optical Detectors Photodetectors.
Available at:
http://photonics.intec.ugent.be/education/IVPV/res_handbook/v1ch15.pdf.
19. Ylä-mella, J., Pongrácz, E. and Keiski, R. L. (2014) ‘Liquid Crystal Displays : Material Content and Recycling Practices University of Oulu University of Oulu University of Oulu’, (August).
20. Yunusa, Z. et al. (2014) ‘Gas Sensors : A Review’, Sensors & Transducers, 168(December 2015), pp. 61–75. Available at: http://www.sensorsportal.com.
