Daftar Isi (Table Of Content)
A. Tujuan dan Capaian Pembelajaran/Kompetensi Akhir
1. Mampu memahami jenis dan fungsi serta implemantasi Sensor dan Transduser Potensiometer Geser.
2. Mampu memahami jenis dan fungsi serta implemantasi Sensor dan Transduser Proximity Kapasitif.
3. Mampu memahami jenis dan fungsi serta implemantasi Sensor dan Transduser Linear Variable-Differential Transformer (LVDT).
4. Mampu memahami jenis dan fungsi serta implemantasi Sensor dan Transduser Proximity Induktif.
5. Mampu memahami jenis dan fungsi serta implemantasi Sensor dan Transduser Strain Gauge.
B. Pendahuluan
Dalam berbagai kegiatan, setiap harinya manusia di kelilingi oleh berbagai jenis transduser. Transduser-transduser tersebut membantu manusia untuk melakukan kegiatan sehari-hari seperti bekerja, belajar, memasak dan segala macam aktivitas.
Contoh transduser dalam kehidupan sehari-hari yaitu:
1. Antena adalah transduser paling dasar dan dapat dibuat dari sepotong kawat sederhana. Ia mengubah energi elektromagnetik menjadi listrik ketika menerima sinyal dan melakukan yang sebaliknya ketika mentransmisikannya.
2. Strain gauges memiliki kawat tipis panjang yang menempel pada penahan foil yang direkatkan pada suatu objek. Ketika objek berubah bentuk, pengukur regangan juga berubah bentuk dan ketahanannya berubah.
Jumlah tegangan atau regangan pada objek dihitung dari perubahan resistansi ini.
3. Accelerometer yang mengubah perubahan posisi massa menjadi sinyal listrik. Accelerometer mengukur kekuatan akselerasi dan deselerasi. Akselerometer digunakan dalam air bag mobil, kontrol stabilitas, hard drive, dan banyak
gadget elektronik.
5.1 Sensor dan Transduser Perpindahan
Transduser perpindahan memiliki rentang kerja beberapa mikrometer hingga beberapa meter. Responsivitas transduser perpindahan bervariasi dari kisaran 1 V/m hingga 105 V/m atau lebih.
Transduser perpindahan secara umum dibagi menjadi transduser perpindahan elektrikal yang melibatkan resistansi (R), kapasitansi (C) dan induktansi (L), dan transduser perpindahan optikal yang menggunakan piringan dengan pola hitam putih yang biasanya membentuk pola digital (Usher, 1985).
5.1.1 Transduser Gerak Translasi
Transduser perpindahan translasi berhubungan dengan gerakan benda antara dua titik.
Selain penggunaannya sebagai transduser primer yang mengukur gerakan, transduser perpindahan translasi, juga digunakan sebagai komponen sekunder dalam sistem pengukuran sejumlah objek fisik lainnya seperti : tekanan, gaya
akselerasi atau suhu dengan menerjemahkan gerakan translasi oleh transduser pengukuran utama.
Ada berbagai jenis transduser perpindahan translasi bersama dengan kelebihan dan karakteristik relatifnya.
1) Potensiometer Geser
Potensiometer Geser (ditunjukkan pada Gambar 4.1) merupakan transduser perpindahan yang paling umum.
Transduser ini terdiri dari elemen resistensi dengan kontak bergerak Tegangan Vs diterapkan pada dua ujung A dan B dari elemen resistansi dan tegangan output V0 diukur antara titik kontak C dari elemen geser dan ujung dari elemen resistansi A yang ditunjukkan pada Gambar 4.2.
Hubungan linear ada antara tegangan output V0 dan jarak AC, yang dapat dinyatakan oleh:
Prinsip transduser posisi resistif adalah bahwa kuantitas yang diukur (yaitu posisi suatu objek, atau jarak yang telah dipindahkan) menyebabkan perubahan resistansi pada lemen pengindraan.
Ada tiga jenis potensiometer, yaitu wire-wound, film karbon dan film plastik, yang dinamai sesuai dengan bahan yang digunakan untuk membangun elemen resistensi.
Gambar 4.1 Potensiometer Geser (Slider)
Gambar 4.2 Skema Cara Kerja Potensiometer Geser
2) Sensor Proximity Kapasitif
Sensor proximity kapasitif (ditunjukkan pada Gambar 4.3) merupakan sensor elektronika yang bekerja berdasarkan konsep kapasitif. Sensor jarak kapasitif bekerja dengan menghasilkan medan elektrostatik. Sakelar jarak kapasitif akan mendeteksi benda logam serta bahan non logam seperti kertas, gelas, cairan, dan kain.
Sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi listrik yang dapat disimpan oleh sensor akibat perubahan jarak lempeng, perubahan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum sensor kapasitif tersebut.
Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik dalam bentuk muatan – muatan listrik pada kapasitor yang dipengaruhi oleh luas permukaan, jarak dan bahan dielektrikum.
Permukaan penginderaan dari sensor kapasitif dibentuk oleh dua elektroda logam berbentuk konsentris dari kapasitor yang tidak digulung.
Ketika sebuah objek mendekat permukaan penginderaan, objek tersebut memasuki medan elektrostatik elektroda dan mengubah kapasitansi dalam rangkaian osilator.
Akibatnya, osilator mulai berosilasi. Sirkuit pemicu membaca amplitudo osilator dan ketika mencapai tingkat tertentu keadaan output dari sensor berubah. Saat target menjauh dari sensor, amplitudo osilator berkurang, mengalihkan output sensor kembali ke keadaan semula.
Gambar 4.3 Sensor Proximity Kapasitif
3) Linear Variable-Differential Transformer (LVDT)
Transduser induktif pasif membutuhkan sumber daya eksternal. Transformator diferensial adalah transformator induktif pasif, yang dikenal sebagai Linear Variable Differential Transformer (LVDT).
Pada dasarnya terdiri dari lilitan primer dan dua lilitan sekunder, gulungan di atas tabung berlubang dan diposisikan sedemikian rupa sehingga lilitan primer berada di antara dua lilitan sekundernya.
Gambar 4.4 Ilustrasi LVDT
Prinsip kerja LVDT (ditunjukkan pada Gambar 4.4) yaitu inti besi meluncur di dalam tabung dan mempengaruhi kopling magnetik antara lilitan primer dan dua lilitan sekunder.
Ketika inti berada di tengah, tegangan yang diinduksi dalam dua detik adalah sama. Ketika inti digerakkan ke satu arah pusat, tegangan yang diinduksi dalam satu lilitan meningkat dan yang lain menurun. Gerakan dalam arah yang berlawanan membalikkan efek tersebut.
Gambar 4.5 Skema LVDT
Pada Gambar 4.5, lilitan terhubung ‘seri yang berlawanan’ -yaitu polaritas V1 dan V2 saling berlawanan. Akibatnya, ketika inti berada di tengah sehingga V1 = V2, tidak ada output tegangan, Vo = 0V.
Ketika inti dipindahkan satu arah dari pusat, tegangan yang diinduksi dalam satu lilitan meningkat dan bahwa yang lain menurun. Gerakan dalam arah yang berlawanan membalikkan efek.
Kelebihan LVDT yaitu menghasilkan tegangan output tinggi untuk perubahan kecil dalam posisi inti, biaya rendah, padat dan kuat serta mampu bekerja di berbagai lingkungan.
Tidak ada kerusakan permanen pada LVDT jika pengukuran melebihi kisaran yang dirancang.
4) Sensor proximity induktif
Memanfaatkan medan elektromagnetik untuk mendeteksi benda logam yang ada didekatnya. Secara sederhana sensor proximity induktif hanya sensor switch yang memberikan logika true jika mendeteksi logam di dekatnya.
Tapi ada juga jenis yang membutuhkan pulsa, artinya sensor ini harus mendeteksi object (logam) berulang-ulang kali agar dapat menghasilkan pulsa dengan nilai frekuensi yang sama atau lebih besar dari setting frekuensi threshold-nya baru kemudian akan memberikan logika 1.
Sensor proximity induktif digunakan untuk mendeteksi benda logam yang nonkontak. Prinsip operasi sensor didasarkan pada koil dan osilator yang menciptakan medan elektromagnetik di sekitar permukaan penginderaan.
Kehadiran objek logam di area operasi menyebabkan peredaman amplitudo osilasi. Naik atau turunnya osilasi seperti itu diidentifikasi oleh rangkaian ambang yang mengubah output sensor. Jarak pengoperasian sensor tergantung pada bentuk dan ukuran objek logam dan sangat terkait dengan sifat material.
Gambar 4.6 Proximity Induktif
5) Strain Gauge
Strain Gauge adalah contoh dari transduser pasif yang menggunakan variasi hambatan listrik pada kabel untuk penginderaan regangan yang dihasilkan oleh gaya pada kawat.
Strain gauge adalah detektor dan transduser yang sangat serbaguna untuk mengukur berat, tekanan, gaya mekanik atau perpindahan.
Konstruksi strain gauge terdiri atas kawat halus yang dililitkan bolak-balik pada pelat pemasangan, yang biasanya rekatkan pada elemen yang mengalami tekanan.
Gambar 4.7 Strain Gauge
Dari persamaan resistensi,
Keterangan:
R = resistensi
ρ = resistensi spesifik dari bahan konduktor
L = panjang konduktor dalam meter
A = luas konduktor dalam meter persegi
Ketika regangan yang dihasilkan oleh gaya diterapkan pada penampang kawat, L meningkat dan A menurun.
Strain gauge – faktor gauge
Keterangan:
K = faktor gauge
R = resistansi awal dalam ohm (tanpa regangan)
ΔR = perubahan resistansi awal dalam ohm
L = panjang awal dalam meter (tanpa regangan)
ΔL = perubahan panjang awal dalam meter
Karena ΔL/L adalah regangan maka,
Di mana G = Regangan
Untuk banyak bahan umum, ada rasio konstan antara tegangan (stress) dan regangan.
Stress didefinisikan sebagai gaya internal per satuan luas.
Keterangan:
S = stress dalam kilogram per meter persegi
F = gaya dalam kilogram
A = luas dalam meter persegi
Modulus Youn
Konstanta proporsionalitas antara tegangan dan regangan untuk kurva dikenal sebagai modulus elastisitas bahan
Keterangan:
E = Modulus Young dalam kilogram per meter persegi
S = stres dalam kilogram per meter persegi
G = regangan (tidak ada satuan)
Output dari rangkaian strain gauge adalah sinyal tegangan level sangat rendah yang membutuhkan sensitivitas 100 mikrovolt atau lebih baik. Tingkat sinyal yang rendah membuatnya sangat rentan terhadap kebisingan yang tidak diinginkan dari perangkat listrik lainnya.
Kopling kapasitif yang disebabkan oleh kabel kawat timah yang berjalan terlalu dekat dengan kabel daya AC atau arus arde merupakan sumber kesalahan potensial dalam pengukuran regangan.
Sumber kesalahan lain mungkin termasuk voltase yang diinduksi secara magnetis ketika kawat timah melewati medan magnet variabel, resistensi kontak parasit dari kawat timah, kegagalan isolasi, dan efek termokopel di persimpangan logam yang berbeda. Jumlah dari gangguan tersebut dapat mengakibatkan degradasi sinyal yang signifikan.
C. Tugas
1. Buatlah sebuah rancangan sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser Potensiometer Geser.
2. Buatlah sebuah rancangan sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser Proximity Kapasitif.
3. Buatlah sebuah rancangan sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser Linear Variable-Differential Transformer (LVDT).
4. Buatlah sebuah rancangan sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser Proximity Induktif.
5. Buatlah sebuah rancangan sistem dengan pengontrol/pengendali apa saja (PLC, Mikrokontroller, Mikroprosesor) yang memanfaatkan input Sensor dan Transduser Strain Gauge.
D. 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.
