JURNAL FISIKA DAN APLIKASINYA VOLUME 8, NOMOR 2 JUNI 2012

Kajian Karakteristrik Alat Ukur dan Sensor Standarpada Proses Kalibrasi Data Sensor Cahaya

Ellys Kumala P dan EndarkoJurusan Fisika-FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 61111

IntisariTelah dilakukan penelitian mengenai kajian variasi alat standar dan karakteristik sensor terhadap kalibrasi sen-

sor cahaya. Pada artikel ini, akuisisi data sensor cahaya dilakukan pada 2 sensor cahaya yaitu Light DependentResistor (LDR) dan fotodioda dengan menggunakan kalibrator net log dan lux meter. Sistem kalibrasi diran-cang untuk kondisi yang konstan pada setiap pengukurannya. Pengukuran dilakukan untuk variasi jarak sensorterhadap sumber cahaya dan ukuran variasi diameter lubang penghalang di atas sensor untuk menghasilkan pe-rubahan iluminansi cahaya yang diterima sensor. Hasil penelitian menunjukkan bahwa LDR memiliki responyang lebih baik dibandingkan dengan fotodioda, nilai iluminansi cahaya berkurang seiring dengan semakin jauh-nya jarak sensor dengan sumber cahaya dan semakin kecilnya diameter lubang penghalang masuknya cahayake sensor.

KATA KUNCI: cahaya, LDR, iluminasi, fotodioda

I. PENDAHULUAN

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik yangmempunyai jangkauan panjang gelombang antara (380 - 750)nm dan dapat dilihat oleh mata manusia. Besaran-besaran fo-tometri pada cahaya antara lain fluks cahaya, intensitas ca-haya, iluminansi, luminansi dan faktor refleksi [1]. Intensitascahaya merupakan salah satu besaran pokok fisika untuk men-gukur daya yang dipancarkan sumber cahaya pada arah ter-tentu per satuan sudut [2]. Intensitas sumber cahaya bernilaikonstan, sementara kuat penerangan cahaya (iluminasi) meru-pakan fluks cahaya yang terpancar oleh sumber cahaya ter-hadap suatu bidang [3].

Terdapat berbagai macam sensor untuk mengukur ilumi-nansi cahaya antara lain Light Dependent Resistor (LDR), fo-todioda, tabung fotomultiplier, dan fototransistor [4]. Dalampendeteksian iluminansi cahaya, perlu dilakukan proses kali-brasi sensor dengan alat standar agar didapatkan prosespembacaan nilai iluminansi yang benar. Beberapa faktorpada proses kalibrasi antara lain kondisi alat standar, faktorlingkungan, dan karakteristik sensor yang digunakan, seringkali terabaikan sehingga dapat menyebabkan kesalahan dalampengukuran. Karakteristik alat standar perlu dilakukan eval-uasi untuk menjamin tingkat keakurasian dalam memberikanhasil pengukuran. Kondisi lingkungan pada sistem penguku-ran juga perlu diperhatikan untuk mendapatkan kondisi yangideal pada proses kalibrasi [5]. Sementara itu, karakteristiksensor perlu diperhatikan agar dapat dipilih sensor mana yangpaling baik dan cocok untuk pendeteksian sensor cahaya. Un-tuk itu perlu dilakukan proses kalibrasi dengan menggunakanvariasi alat standar untuk menjamin kesamaan hasil pemba-

E-MAIL: endarko@physics.its.ac.id

caan yang dihasilkan oleh sensor cahaya [6].Dalam penelitian ini digunakan 2 sensor cahaya yaitu LDR

dan fotodioda. LDR merupakan salah satu komponen elek-tronika yang nilai hambatannya akan turun seiring denganpertambahan intensitas cahaya yang diterima oleh sensor [7].Sedangkan fotodioda merupakan sebuah dioda dengan sam-bungan p-n yang akan dipanjar maju apabila cahaya mengenaisensor [7]. Proses kalibrasi kedua sensor dilakukan denganmenggunakan alat standar Net Log Light Sensor U11364 (3BScientific Physics) dan lux meter (LX-1108 buatan Lutron).

Dalam penelitian ini juga dilakukan pengamatan terhadappengaruh jarak terhadap sensor dengan sumber cahaya dandiameter lubang penghalang masuknya cahaya terhadap be-sarnya iluminansi cahaya yang diterima sensor.

II. METODOLOGI PENELITIAN

Pada penelitian ini digunakan LDR dan fotodioda sebagaisensor cahaya dan 2 alat standar net log dan lux meter un-tuk proses kalibrasinya. Gambar 1 menunjukkan rangkaianmasing-masing sensor yang digunakan, yang dirangkai den-gan resistor 33 k membentuk rangkaian pembagi tegangan.

Sistem kalibrasi (Gambar 2), dirancang dengan membuatsebuah ruang kotak tertutup berukuran (1,5 0,5 0,5)m3 yang digunakan sebagai ruang gelap tempat pengambi-lan data. Ruang gelap ini dimaksudkan agar tidak ada cahayaluar yang mempengaruhi pengukuran pada saat proses kali-brasi sensor dengan alat standar, serta diharapkan agar kondisilingkungan untuk setiap pengukuran selalu sama. Sensor danalat standar diletakkan pada sebuah kotak berukuran (27 19 15) cm3 dengan dua buah tongkat penyangga untuk vari-asi jarak terhadap sensor dan sumber cahaya. Sumber cahayapada penelitian ini digunakan bola lampu 12 volt dengan daya35 watt.

Alat ukur standar yang digunakan adalah net log dan lux

c Jurusan Fisika FMIPA ITS 120206-1

J. FIS. DAN APL., VOL. 8, NO. 2, JUNI 2012 ELLYS KP, dkk.

(a)rangkaian LDR (b)rangkaian fotodioda

Gambar 1: Gambaran konversi informasi

Gambar 2: Sistem kalibrasi

meter. Sensor cahaya pada net log ini berbentuk kotak meng-gabungkan dioda dengan filter optik untuk pengukuran inten-sitas cahaya (iluminansi), terutama di daerah tampak. Padasensor ini memiliki tabung 8 mm untuk mencegah masuknyacahaya yang tidak diinginkan dari sisi-sisi sensor. Sedangkansensor cahaya pada lux meter menggunakan fotodioda denganfilter koreksi warna. Alat ukur ini memiliki sensor yang cukupbesar sehingga memungkinkan semakin banyak cahaya yangmasuk.

Pengukuran yang pertama dilakukan adalah pengukuranterhadap alat standar. Alat standar diletakkan tepat di bawahsumber cahaya dengan variasi jarak 5, 10 dan 15 cm. Pen-gukuran dilakukan dengan memvariasi tingkat kecerahan ca-haya dengan kenaikan tegangan lampu 0,5 volt untuk tegan-gan antara 0 - 12 volt. Untuk proses pengukuran pada LDRdan fotodioda, pengambilan data dilakukan sama seperti padaproses pengukuran menggunakan alat standar.

Selanjutnya dilakukan pengukuran dengan variasi jaraksensor dengan sumber cahaya dan variasi diameter lubangmasuk cahaya pada sensor untuk mengetahui pengaruh ked-uanya terhadap iluminansi cahaya yang diterima sensor. Vari-asi jarak sensor dengan sumber cahaya dilakukan dengan per-tambahan 3 cm hingga jarak maksimum 24 cm. Sedangkanlubang masuknya cahaya divariasi dengan jari-jari 0,5, 1, 2dan 3 cm.

III. HASIL

Gambar 3 menunjukkan pembacaan iluminansi cahaya(lux) untuk mengetahui respon sensor LDR dan fotodiodapada jarak 5, 10 dan 15 cm terhadap sumber cahaya denganmenggunakan alat ukur standar net log dan lux meter. Gambar3a, b dan c merupakan grafik tegangan - lux pada penguku-ran sensor LDR, dan Gambar 3d, e dan f merupakan grafiktegangan-lux pada pengukuran sensor fotodioda.

Hasil pada Gambar 3 menunjukkan bahwa alat ukur netlog mampu melakukan pembacaan pada tingkat iluminansicahaya yang rendah, dibandingkan dengan lux meter. Padasaat lampu diberi tegangan (0 - 1,5) volt, net log mampumemberikan hasil pengukuran sebesar (0,6 - 0,8) lux, semen-tara pada lux meter belum menunjukkan nilai iluminansi ca-haya. Namun pada tingkat iluminansi cahaya tinggi lux me-ter mampu melakukan pembacaan hingga 2013 lux, semen-tara pada net log di atas 425 lux pembacaan lux pada net logmenjadi tidak konstan. Perbandingan respon sensor LDR danfotodioda yang diukur dengan menggunakan net log maupunlux meter ditunjukan pada Gambar 4.

Gambar 4 memperlihatkan kenaikan tegangan respons sen-sor LDR dan fotodioda terhadap kenaikan iluminansi cahaya.Respon LDR membentuk tren eksponensial sementara padafotodioda membentuk tren kenaikan yang berubah cukup ta-jam saat saturasi. LDR mulai mengalami saturasi pada ilumi-nansi (48 - 95) lux tergantung variasi jarak yang dilakukan.Sedangkan fotodioda mulai mengalami saturasi pada (3,8 -26,6) lux. Pada Gambar 4 terlihat bahwa LDR memiliki datakenaikan respon yang lebih lambat dibandingkan dengan fo-todioda.

Kemudian pengukuran dilakukan dengan tingkat peneran-gan lampu dibuat konstan pada tegangan 4 volt, namun jaraksensor terhadap sumber cahaya divariasi dengan kenaikan 3cm. Hasil pengukuran pada masing-masing sensor dapat di-tunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 menunjukkan penurunan tegangan keluaran sen-sor ketika jarak semakin jauh terhadap sumber cahaya. Penu-runan LDR mempunyai kecenderungan lebih linier diband-ingkan dengan fotodioda. Pada fotodioda mengalami penu-runan bertahap pada jarak (3 - 15) cm namun menurun secaratajam pada jarak (15 - 21) cm.

Pengukuran yang terakhir dilakukan adalah variasi jari-jarilubang masuknya sumber cahaya. Lubang berada 15 cm tepatdi atas sensor. Jari-jari lubang divariasi dengan ukuran 0,5, 1,2, dan 3 cm. Sumber cahaya dibuat konstan dengan tegangan10 volt. Hasil pengukuran pada masing-masing sensor dapatditunjukkan pada Gambar 6.

Berdasarkan hasil Gambar 6 terlihat bahwa untuk variasijari-jari lubang 3, 2 dan 1 cm tidak menunjukkan perubahanrespon sensor yang cukup besar. Namun pada jari-jari lubang0,5 cm memperlihatkan penurunan respon yang cukup besar.

IV. PEMBAHASAN

Perbandingan pembacaan iluminasi cahaya oleh net log danlux meter yang ditunjukan Gambar 3, dapat dianalisis sebagai

120206-2

J. FIS. DAN APL., VOL. 8, NO. 2, JUNI 2012 ELLYS KP, dkk.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Gambar 3: Grafik perbandingan pembacaan net log dan lux meter pada masing-masing sensor

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Gambar 4: Grafik perbandingan respon LDR dan fotodiodapada pembacaan net log dan lux meter

berikut; pada proses kalibrasi terlihat bahwa masing-masingalat standar memiliki tingkat sensitivitas yang berbeda-beda.net log memiliki tingkat sensitivitas yang tinggi pada rentangiluminasi yang rendah sementara lux meter memiliki tingkatsensitivitas yang tinggi pada rentang iluminasi yang tinggi.Pada saat dilakukan pengukuran, pembacaan pada net log cen-

derung tidak konstan saat tingkat penerangan tinggi, sedan-gkan pada pada lux meter, pada tingkat penerangan rendahtidak menunjukan pembacaan nilai iluminasi.

LDR dan fotodioda memiliki karakter yang berbeda dalammendeteksi iluminasi cahaya. Pada Gambar 4 terlihat bahwaLDR menunjukkan tren respon yang cenderung ekponensial,

120206-3

J. FIS. DAN APL., VOL. 8, NO. 2, JUNI 2012 ELLYS KP, dkk.

Gambar 5: Grafik hubungan variasi jarak sensor-sumber cahaya den-gan tegangan output sensor

Gambar 6: Grafik hubungan variasi ukuran lubang masuknya cahayadengan tegangan output sensor

sedangkan pada fotodioda mengalami kenaikan yang linierpada awal kenaikan kemudian berubah secara tajam pada saatmulai saturasi. Selain itu fotodioda juga jauh lebih cepat sat-urasi dibandingkan dengan LDR, sehingga fotodioda memi-liki data kenaikan yang lebih sedikit pada saat kenaikan linier

dibandingkan LDR.

Jarak sensor-sumber cahaya yang semakin tinggi menye-babkan tegangan output sensor semakin kecil. Hal iniditunjukkan pada Gambar 5. LDR dan fotodioda memilikitren respon yang berbeda pada pengukuran dengan variasijarak sensor-sumber cahaya ini. LDR turun dengan tren yangcukup linier dibandingkan fotodioda. Fotodioda pada jarakyang lebih dekat dengan sumber cahaya cenderung memilikiperubahan yang kecil namun saat jarak 15 cm teganganturun tajam. Hal ini disebabkan pada jarak yang dekat (< 15cm) dengan sumber cahaya, fotodioda mengalami saturasi.Sedangkan variasi ukuran lubang yang telah dilakukan dida-patkan nilai yang cukup mirip pada lubang dengan jari-jari1, 2, dan 3cm (ditunjukkan pada Gambar 6). Namun padajari-jari 0,5 cm perubahan tegangan keluaran cukup terlihat.Semakin kecil lubang yang dibuat semakin kecil iluminasiyang diterima oleh sensor.

V. SIMPULAN

Dari penelitian ini dapat kesimpulan bahwa kedua alatstandar yang digunakan memiliki tingkat sensitivitas yangberbeda. Net log memiliki sensitivitas yang cukup tinggi un-tuk cahaya redup, namun untuk cahaya yang terang lux metermampu bekerja lebih baik dibanding dengan net log. Kemu-dian dari dua sensor yang dibandingkan pada penelitian initerlihat bahwa LDR memiliki respon yang lebih baik dalampendeteksian iluminansi cahaya karena fotodioda cenderunglebih cepat saturasi dibanding dengan sensor LDR.

Variasi jarak sensor dengan sumber cahaya dan vari-asi lubang masuknya cahaya menunjukkan semakin besarjaraknya maka nilai tegangan keluaran yang dihasilkan se-makin kecil. Semakin kecil jari-jari lubang yang dibuat makasemakin kecil iluminansi cahaya yang diterima oleh sensor.

[1] Muhaimin, Teknologi Pencahayaan (Refika Aditama, Bandung,2001).

[2] D.B. Rahmat, Diktat Fisika Bangunan (ITS, Surabaya, 2004).[3] W.H. Hanley, The IESNA Lighting Handbook (The Illuminating

Engineering Society of North America, New York, 2000).[4] J. Freden, Handbook of Sensor 2004 (Springer-Verlag, 2000).[5] P.P.L. Regtien, Measurement Science for Engineers (Kogan Page

Science, London, 2004).[6] D.C. Montgomery,Design and Analysis of experiment (John Wil-

ley and Son, New York, 2000).[7] O. Bishop, Understand Electronic Control Systems (Elsevier Sci-

ence, 1995).

120206-4