Komponen Elektronika_Sensor dan transduser.pdf
- 1. KOMPONEN ELEKTRONIKA SMT 1 PS IKI –TE-PNJ BYSYAFRIZALSYARIEF KOMPONEN SENSOR DAN TRANSDUSER Pertemuan 15
- 2. 1. PENDAHULUAN . Definisi-Definisi: Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. D Sharon, dkk (1982). ❖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 (Contoh; Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, dan lainnya.)
- 3. . ❖ Transduser • William D.C, (1993), 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). Contoh; generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya.
- 4. . JENIS SENSOR: Sensor pasif : Secara langsung akan menghasilkan sinyal listrik, terhadap respon dari stimulasi, tanpa memerlukan energi tambahan dari luar Sensor aktif : Sensor aktif, memerlukan energi tambahan untuk pengoperasiannya. Sinyal eksitasi ini akan dimodifikasi oleh sensor untuk menghasilkan sinyal output. Atau.. Transduser: Suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi ke energi yang lain. Sensor : Jenis tranduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik.
- 5. . Perkembangan otomasi industri dari pekerjaan menggunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sekarang sudah menggunakan robotic (full automatic) seperti penggunaan Flexible Manufacturing Systems (FMS) dan Computerized Integrated Manufacture (CIM) Model apapun yang digunakan dalam sistem otomasi di industri sangat tergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian menunjukan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat tergantung kepada sensor maupun transduser yang digunakan.
- 6. Transduser merupakan suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi kebentuk energi yang lain. Bagian masukan dari transduser disebut “sensor ”, karena bagian ini dapat mengindera suatu kuantitasfisik tertentu dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lain. . 0
- 7. 7/tot al 2. PERSYARATAN UMUM SENSOR DAN TRANSDUSER • . Sensitivitas Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “satu volt per derajat”, yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya Respon waktu Waktu 1 siklus 50 40 30 50 40 30 (a) Perubahan lambat (b) Perubahan cepat
- 8. . ❑ Linearitas: 100 1 100 1 0 0 Tegangan (keluaran) (a) Tangapan linier (b) Tangapan non linier Tegangan (keluaran)
- 9. 3. KLASIFIKASI SENSOR Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu: a. Sensor mekanis Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti perpindahan (jarak/panjang/luas) atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dsb. b. Sensor thermal (panas) Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. c. Sensor optik (cahaya) Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan.
- 10. 4. KLASIFIKASI TRANSDUSER ❑ Self generating transduser, Self generating transduser adalah transduser yang mempunyai sumber energi dari dalam. Contoh: piezo electric, termocouple, photovoltatic, termistor, dsb. Contoh: RTD (resistance thermal detector), Strain gauge, LVDT (linier variable differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb. ❑ External power transduser, External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran
- 11. 5. KLASIFIKASI TRANSDUSER Tabel Kelompok Transduser Parameter listrik dan kelas Transduser Prinsip kerja dan sifat alat Pemakaian alat Sensor Pasif Potensiometer Perubahan nilai tahanan karena posisi kontak bergeser Tekanan, pergeseran/ posisi Strain gage Perubahan nilai tahanan akibat perubahan panjang kawat oleh tekanan dari luar Gaya, torsi, posisi Transformator selisih (LVDT) Tegangan selisih dua kumparan primer akibat pergeseran inti trafo Tekanan, gaya, pergeseran
- 12. Sensor Aktif Photomultiplier Emisi elektron sekunder akibat radiasi yang masuk ke katoda sensitif cahaya Cahaya, radiasi dan relay sensitif cahaya Termokopel Pembangkitan ggl pada titik sambung dua logam yang berbeda akibat dipanasi Temperatur, aliran panas, radiasi Generator kumparan putar (tachogenerator) Perputaran sebuah kumparan di dalam medan magnit yang membangkitkan tegangan Kecepatan, getaran Piezoelektrik Pembangkitan ggl bahan kristal piezo akibat gaya dari luar Suara, getaran, percepatan, tekanan
- 13. Sel foto tegangan Terbangkitnya tegangan pada sel foto akibat rangsangan energi dari luar Cahaya matahari Termometer tahanan (RTD) Perubahan nilai tahanan kawat akibat perubahan temperatur Temperatur, panas Hygrometer tahanan Tahanan sebuah strip konduktif berubah terhadap kandungan uap air Kelembaban relatif Termistor (NTC) Penurunan nilai tahanan logam akibat kenaikan temperatur Temperatur Mikropon kapasitor Tekanan suara mengubah nilai kapasitansi dua buah plat Suara, musik,derau
- 14. 7. SATUAN PENGUKURAN Satuan Satuan Internasional
- 15. 8. KETENTUAN LAIN DALAM MEMILIH SENSOR YANG TEPAT 15 • Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang diperlukan? • Apakah cukup akurat? • Apakah bekerja pada jangkauan yang sesuai? • Apakah akan mempengaruhi kuantitas yang sedang diukur?. Sebagai contoh, bila sebuah sensor panas yang besar dicelupkan kedalam jumlah air air yang kecil, malah menimbulkan efek memanaskan air tersebut, bukan menyensornya. • Apakah tidak mudah rusak dalam pemakaiannya?. • Apakah dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya? • Apakah biayanya terlalu mahal? DATA SHEET
- 16. 9. JENIS DAN MACAM-MACAM SENSOR 16 ➢ Sensor terdiri atas tiga jenis, yaitu : a. Sensor Analog, : meliputi sensor LVDT (Linier variabel Differensial Transformer), sensor temperatur (thermokopel, RTD, thermistor, IC), Strain gage dan load cell, LDR dan lain-lain. b. Sensor Digital : meliputi rotary encoder, c. Sensor ON/OFF : meliputi senssor proximity (kapasitip, induktif dan infra red), limit switch dan lain-lain. ➢ Macam-macam sensor meliputi : a. sensor perpindahan dan posisi : potensiometer, LVDT dan RVDT, Linier Motion Variable Capacitor (LMVC). b. Sensor berat : LVDT, Strain gage, Load Cell c. Sensor fluida : Level dan tekanan (pengapung, LVDT, kapasitip, ultrasonic), aliran (magnetik) d. Sensor sistem Navigasi : Gyrostar e. Sensor monitoring lingkungan: COx, NOx, SOx, Kelembaban,dll
- 17. 10. SENSOR POSISI DAN PERPINDAHAN ➢ Potensiometer • Potensiometer yang digunakan adalah potensiometer jenis linier. Potensiometer ini terdiri dari slider yang dapat bergerak atau bergeser diatas elemen tahanan, sehingga keluaran dari sensor ini berupa perubahan tahanan yang sebanding dengan perubahan posisi gerakan slider. • Gambar Potensiometer linier 17
- 18. CONTOH 18 Potensiometer mempunyai rate 150 /1 watt (pada temperatur diatas 65 oC terjadi kenaikan 10 mW/oC) dan mempunyai tahanan terhadap panas sebesar 30oC/Watt. Dapatkah potensiometer ini digunakan apabila dengan catu daya 10 volt yang di-operasikan pada temperatur ambang 80 oC Penyelesaian : Disipasi daya pada potensiometer adalah : P = E2/R = (10 V)2/150 = 667 mW Temperatur pada potensiometer tergantung pada temperatur ambang dan kenaikan temperatur disebabkan oleh daya disipasi pada potensiometer, yaitu : Tpot = Tambang + P = 80 oC + (667 mW)(30oC/W) = 100oC Daya disipasi yang diperbolehkan harus dikurangi dengan 10 mW tiap derajat diatas 65o C, yaitu : Pboleh = P rate – (Tpot – 65 oC)(10mW/oC) = (1 W – (100 oC – 65 oC)(10mW/oC) = 650 mW
- 19. 11. SENSOR POSISI DAN PERPINDAHAN ➢ LVDT dan RVDT LinierVariable DifferensialTransformer (LVDT) mempunyai fungsi yang sama dengan potensiometer. LVDT terdiri atas lilitan (coil) dan inti (core) • Lilitan adalah bagian dari rangkaian osilator, dimana perubahan posisinya akan menyebabkan perubahan induktansinya. LVDT ini tidak terjadi pergeseran mekanis sehingga usia sensor ini menjadi lebih lama.Apabila dibandingkan dengan sistem potensiometer maka sensor ini mempunyai kelebihan yaitu tahan terhadap getaran mekanis, shock dan lain-lain. • Apabila dilihat dari konstruksinya maka didapatkan beberapa keuntungan sebagai berikut : • Lebih sensitif terhadap gerakan, • Catu dayanya dapat berupa tegangan ac atau dc osilator, • Keluaranya (output) berupa tegangan, sehingga mudah untuk pengaturan proses selanjutnya. • Gambar LVDT 19
- 20. CARA KERJA RANGKAIAN LVDT 20 Pada saat posisi inti di tengah, maka tegangan sekunder pada lilitan dengan resistor R1 dan R2, (dengan harga R1 sama dengan R2) maka besarnya arus pada I1 sama dengan I2, sehingga tegangan drop pada R1 sama dengan tegangan drop R2. Jika inti berada di atas (pada posisi R1) maka tegangan drop pada R1 lebih besar dari pada R2, demikian juga sebaliknya jika posisi inti di bawah maka tegangan drop pada R2 akan lebih besar.
- 21. GAMBAR LVDT
- 22. 12. SENSOR GAYA DAN TEKANAN Sensor gaya yang sering digunakan adalah Strain Gage, yang prinsip kerjanya didasarkan pada efek piezoresistive dari bahan semikonduktor, seperti silikon dan germanium. Sensor ini secara fisik bentuknya dibuat kecil. Sensor ini mempunyai keluaran yang sensitip terhadap perubahan temperatur , dan perubahan tahanannya sangat sensitif tetapi tidak linier. Perubahan tahanan dinyatakan dengan Gage Faktor (GF) yaitu perbandingan perubahan tahanan dan perubahan panjang (akibat terjadi regangan), yang dinyatakan dalam persamaan berikut : R/R GF = ----------- dan L/L = L/L = F/A E = / dimana : - tekanan - keregangan - modulus elastisitas
- 23. STRAIN GAGE Strain Gage juga sensitif terhadap perubahan temperatur. Oleh karena itu akan terjadi perubahan Gage Faktor jika temperaturnya berubah, seperti dinyatakan pada persamaan berikut : Rt = Rto ( 1 + T ) Dengan : Rt – besarnya tahanan pada saat temperaturnta T Rto - besarnya tahanan pada saat temperaturnya To - koefisien temperatur T - perubahan temperatur dari To
- 24. 24 Untuk mendapatkan sensitifitas yang tinggi maka menggunakan rangkaian jembatan Wheatstone. Pada saat tidak ada tekanan maka harga R = 0, keempat resistor mempunyai tahanan yang sama, maka +out = - out, sehingga Vout = 0. Jika diberikan tekanan maka akan terjadi perubahan tahanan ® pada Strain gage, maka Vout = ( ∆R E)/2R
- 25. LOAD CELL Untuk realisasi sensor banyak menggunakan Load Cell karena sensor ini memang dirancang khusus untuk mengukur besarnya gaya. Load Cell dirancang dengan menggunakan Strain Gage (biasanya dengan empat Strain Gage). Contoh Load Cell
- 26. CONTOH Strain Gage mempunyai panjang 10 cm dan luas penampangnya 4cm2. Modulus elastisitasnya 20,7x1010 N/m2. Strain gage mempunyai tahanan nominal 240 dan Gage Faktornya 2,2. Jika diberikan beban maka akan terjadi perubahan tahanan 0,013. Hitung besarnya perubahan panjang dan besarnya gaya yang diberikan.
- 27. 13. SENSOR FLUIDA Courtesy, Intel Sensor Fluida dibagi dalam tiga kelompok yang sesuai dengan parameter yang diukur, yaitu tekanan, level, dan aliran. Didalam manufaktur harus dapat mengukur 1 atau lebih parameter. Dalam dunia industri sensor fluida sangat banyak digunakan. Sensor Tekanan Sensor level Sensor aliran (Flow Sensor)
- 28. 14. SENSOR TEKANAN Tekanan didefinisikan sebagai gaya persatuan luas (F/A). Tekanan yang diukur dengan menggunakan ruang hampa sebagai referensi, yang biasa disebut dengan tekanan absolut. Semua tekanan diukur dalam dua sisi yaitu satu sisi untuk pengukuran dan satu sisi yang lain untuk referensi. Tekanan dibawah kolom fluida tergantung pada ketinggian kolom dan kerapatan fluida yaitu : p = f g h Dengan : g = konstanta untuk mengubah massa atau berat, 980,665 cm/dtk2 h = tinggi kolom
- 29. 15. SENSOR LEVEL (PRINSIP KAPASITOR). Courtesy, Intel
- 30. SENSOR LEVEL 30 Courtesy, Intel Masih banyak metode-metode yang lain diantaranya yaitu menggunakan konduktivitas (conductivity) dan kapasitas, cahaya (light), dan gelombang suara (sonic) seperti pada gambar 3.20. Keuntungan sistem pengapung dan potensiometer mempunyai beberapa keuntungan yang lebih baik daripada sensor level yang lain. Pertama, sinyal keluaran mempunyai sinyal level tinggi (high level) tegangan DC. Oleh karena itu, tidak perlu pengkondisian sinyal dan mudah diinstalasi dengan pengendali untuk digunakan. Kedua, sistemnya adalah sederhana, harganya relatif murah dan mudah direalisasikan. Disamping itu ada kerugiannya dari sistem pengapung dan potensiometer, yaitu mempunyai keterbatasan gerakan, sistem mekaniknya harus diinstalsi didalam tangki yang hal umumnya tidak mudah dilakukan. Jika menggunakan sensor level kapasitif (lihat gambar 3.20), maka kapasitas suatu kapasitor plat sejajar dapat dihitung melalui : A. C = ---------- d C = kapasitas A = luas penampang plat = konstanta dielektrik d = jarak antara 2 plat
- 31. 16. SENSOR TEMPERATUR 31 • Sensor temperatur banyak digunakan untuk berbagai keperluan : di industri, rumah tangga, kedokteran, dan lain-lain. • Mengapa disebut sensor temperatur bukan sensor panas? Untuk itu harus dibedakan antara panas dan temperatur.Yang disebut temperatur ialah perubahan panas. • Contoh : kita membayangkan suatu cairan yang ditekan menyebabkan aliran dengan cairan yang dipanaskan menyebabkan aliran panas yang disebut temperatur.
- 32. PRINSIP SENSORTEMPERATUR 32 • Sistem pengisisan termometer (Filled System Thermometers) • Tipe ini termasuk jenis yang paling tua, yang konstruksinya terdiri dari satu tabung gelas yang mempunyai pipa kapiler kecil yang berisi vacum dan cairan serta reservoir cairan dan cairan ini biasanya berupa air raksa. Perubahan panas menyebabkan perubahan ekspansi dari cairan atau dikenal temperature to volumetric change kemudian volumetric change to level secara simultan. Perubahan level ini menyatakan perubahan panas atau temperatur. Ketelitian jenis ini tergantung dari rancangan atau ketelitian tabung, juga penyekalanya.
- 33. SENSORTEMPERATUR DWI LOGAM ❖Jenis ini menggunakan logam untuk sensornya. Logam yang digunakan adalah 2 buah yang masing-masingnya mempunyai karakteristik titik leburnya yang berbeda. ❖ Bila logam dipanaskan maka logam akan memuai atau bertambah panjang. Karea karakteristik pemuaian dari kedua jenis logam pada dwi logam berbeda, maka ujung yang bebas dari logam akan membengkok. ❖Penggunaan : thermostat electric toaster, foffe pot, dan setrika listrik. sistem pemutus rangkaian (circuit breaker) - - - - - = = = Logam 1 Logam 2
- 34. MACAM-MACAM SENSOR TEMPERATUR 34 • Thermocouple Thermocouple disusun dari dua jenis logam yang hampir sejenis dan bila dipanaskan akan menghasilkan thermal electromotive force ketika sambungan bahan mempunyai temperatur yang berbeda. Sambungan pengukuran thermocouple + - Sambungan referensi
- 35. SENSORTHERMOCOUPLE Thermocoupel Koefisien Seebeck(uV/oC) Sensitifitas DVM untuk 0.10C (uV) E J K R S T 62 51 40 7 7 40 6.2 5.1 4.0 0.7 0.7 4.0 35 Koefisien Seebeck dan sensitifitas DVM
- 36. SENSOR RTD 36 Penemu : Seebeck yang kemudian dikembangkan oleh Sir William Siemens. Prinsip kerja : sensor ini berdasarkan perubahan tahanan dari beberapa jenis logam apabila mendapatkan perubahan panas. Semua logam akan mengalami perubahan tahanan positif apabila terjadi perubahan temperatur yang positif.
- 37. SENSOR TEMPERATUR RTD 37 ▪ Bahan : untuk sensor ini antara lain platina, nikel, paduan nikel alloy, terutama tembaga karena mempunyai tahanan yang rendah dan perubahan tahanan yang linier ▪ Nilai tahanan untuk RTD platina mempunyai jarak dari 10 sampai dengan 100 ohm untuk model bird gage. Standar koefisien temperatur kawat platina (DIN 43760) adalah = 0.00385. Untuk kawat 100 adalah 0.385/oC. Nilai ini adalah rata- rata dari 0oC sampai 100oC
- 38. SENSORTEMPERATUR THERMISTOR 38 Thermistor adalah juga resistor yang sensitif terhadap perubahan temperatur. Thermistor biasanya dibuat dari bahan semikonduktor. Thermistor umumnya mempunyai koefisien temperatur negatif (NTC), artinya apabila temperatur bertambah maka tahanannya akan berkurang, tetapi juga ada yang mempunyai koefisien temperatur positif (PTC). VCC Thermistror NPN BC108
- 39. SENSORTEMPERATUR DENGAN IC Tipe Range(0C) Penggunaa n LM135 LM235 LM335 -55 t 150 -40 t 125 -40 t 100 Militer Industri Komersial 39 Sensor dengan Integrated Circuit (IC) tipe LM335 keluarannya 10 mV/0F dan sensor yang lain tipe AD592 arus keluarannya 1A/oK. IC tipe LM335 adalah sebagai zener diode yang sensitif terhadap temperatur. 3 tipe IC yang mempunyai jarak dan penggunaan yang berbeda-beda. Apabila mendapat pembiasan balik pada daerah breakdown, maka keluarannya adalah Vz = 2,73V + (10mV/oC) T
- 40. SENSORTEMPERATUR DENGAN IC 40 Untuk menentukan ukuran batasan besarnya tahanan tergantung dari besarnya tegangan suplai pada zener diode dan tegangan pada temperatur nominal, yaitu: R(bias) = V(suplai) – V(nominal) Iz Dalam manufaktur besarnya Iz = 1mA Bila nilainya adalah linier maka hal ini adalah penting, karena arus beban kecil maka dibandingkan dengan arus minimum yang melalui zener yaitu : Vmak >> V(suplai) – V mak RL R(bias)
- 41. 17. SENSOR ULTRASONIC 41 Jika kita menggunakan sensor ultrasonik, sinyal yang dipindahkan berdasarkan kecepatan suara, waktu pengiriman dan penerimaan diukur dari jarak jangkauan kepermukaan yang dituju. Jarak yang diukur berkisar antara 0,5 m – 10 m, dan pengukurannya mengikuti perumusan berikut : d = 0,5 v.t d = jarak kepermukaan obyek v = kecepatan suara (331,5 m/detik) t = Total waktu (berangkat dan kembali)
- 42. 18.SENSOR ALIRAN (FLOW SENSOR) • Untuk mendeteksi adanya aliran fluida maupun mengukur kecepatan dari fluida dapat dilakukan dengan sensor aliran. Ada beberapa jenis dari sensor aliran baik secara mekanis maupun secara elektris. Secara mekanis dapat dilakukan dengan sistem orifice plate yaitu mengukur perbedaan tekanan antara aliran yang masuk pada plate dan tekanan yang keluar dari plat, besar perbedaan inilah yang dikonversikan ke besarnya aliran. P1 P2
- 43. SENSOR ALIRAN DENGAN MAGNETIC DAN ULTRASONIK Secara elektris ada beberapa cara yang populer yaitu dengan menggunakan magnetik dan ultrasonik. Transmitter (TX) Receiver (RX)
- 44. 19. SENSOR PROXIMITY DAN LIMIT SWITCH 44
- 46. SENSOR CAHAYA
- 47. SENSOR PHOTO ELECTRIC PROXIMITY 47
- 51. 51 Laser line operation 2-D
- 52. 52
- 53. SENSOR 3-D 53
- 54. 54
- 55. SEKIAN……