Bab 12 Pengukuran Medan Magnet

TUGAS PENGUKURAN & INSTRUMENTASI PADA SISTEM TENAGA

EP6071

PENGUKURAN MEDAN MAGNET

Disusun oleh:

Erwin Yusuf

NIM : 23211047

PROGRAM MAGISTER

SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2012

EP6071 – Pengukuran & Instrumentasi pada Sistem Tenaga Pegukuran Medan MagnetBuku Perkuliahan Daftar Tabel

Daftar Isi

Daftar Isi........................................................................................................... ii

Daftar Tabel..................................................................................................... iii

Daftar Gambar.................................................................................................1

1 Pengukuran Medan Magnet...........................................................................1

1.1 Pendahuluan...........................................................................................1

1.2 Pengukuran Medan Magnet.....................................................................2

1.3 Magnetometer Vektor untuk Medan Rendah...........................................4

1.3.1 Magnetometer Kumparan Induksi.......................................................4

1.3.2 Magnetometer Fluxgate......................................................................9

1.3.3 Magnetometer SQUID.......................................................................11

1.4 Gaussmeters Vector untuk Medan Tinggi..............................................13

1.4.1 Gaussmeter Efek Hall........................................................................13

1.4.2 Gaussmeter Magnetoresistive...........................................................15

1.5 Magnetometers Skalar..........................................................................16

1.5.1 Magnetometer Proton Precession.....................................................16

1.5.2 Magnetometer Optically Pumped......................................................17

Daftar Pustaka................................................................................................20

Erwin Yusuf (23211047) ii


Daftar Tabel

Tabel 1.1 Karakteristik instrumen sensor medan magnet..................................3

Tabel 1.2 Perbandingan sensor medan magnet.................................................4

Tabel 1.3 Sifat magnet core dari berbagai material...........................................7

Erwin Yusuf (23211047) iii


Daftar Gambar

Gambar 1.1 Garis garis medan magnet (a) Bumi, (b) Magnet Batang dan (c)

kawat yang dialiri oleh arus...............................................................................1

Gambar 1.2 Klasifikasi sensor medan magnet...................................................2

Gambar 1.3 Batang magnet menghasilkan medan magnet berupa vektor yang

memiliki besaran dan arah.................................................................................3

Gambar 1.4 Sensor kumparan induksi (a) inti udara (b) inti ferromagnetic.......5

Gambar 1.5 Antena loop inti udara....................................................................6

Gambar 1.6 Sensor arus listrik Koil Rogowski yang memanfaatkan medan

magnet...............................................................................................................6

Gambar 1.7 Antena Batang (Rod)......................................................................7

Gambar 1.8 Pengkondisian sinyal penguat tegangan........................................8

Gambar 1.9 Pengkondisian sinyal penguat arus................................................8

Gambar 1.10 Fluxgate magnetometer...............................................................9

Gambar 1.11 Sistem operasi magnetometer fluxgate......................................10

Gambar 1.12 Bidang eksitasi fluxgate dan sinyal keluaran..............................10

Gambar 1.13 Pengkondisian sinyal magnetometer fluxgate dengan umpan

balik................................................................................................................. 11

Gambar 1.14 Aplikasi superconducting quantum interference device-SQUID..12

Gambar 1.15 Josephson juction dan kurva arus pada tegangan nol................12

Gambar 1.16 Pengkondisian sinyal magnetometer SQUID...............................13

Gambar 1.17 Efek hall......................................................................................14

Gambar 1.18 Pengkondisian sinyal berdasarkan efek hall...............................14

Gambar 1.19 Efek magnetoresistive................................................................15

Gambar 1.20 Pengkondisian sinyal magnetoresistive......................................16

Gambar 1.21 Ilustrasi presisi proton................................................................17

Gambar 1.22 Pengkonsisi sinyal magnetometer proton precession.................17

Gambar 1.23 Magnetometer Optically Pumped...............................................18

Gambar 1.24 Contoh pengkondisian sinyal Magnetometer Optically Pumped. 19

Erwin Yusuf (23211047) 1


1 Pengukuran Medan Magnet

1.1 Pendahuluan

Medan magnet telah ada sejak bumi ini diciptakan. Keberadaan medan

magnet telah disadari oleh bangsa Yunani lebih dari 2000 tahun lalu, melalui

sejenis batuan tertentu (sekarang disebut magnetit) dapat menarik potongan

besi. Pada abad ke-12 terdapat acuan tertulis penggunaan medan magnet

sebagai alat navigasi. Setiap magnet bagaimanapun bentuknya selalu memiliki

dua kutub, ktub utara dan kutub selatan. Gaya terbesar yang dikerahkan oleh

magnet terdapat di kedua kutub ini.

Pada tahun 1600, William Gilbert menemukan bahwa bumi sendiri merupakan

magnet alami dengan kutub magnet yang berada didekat kutub utara dan

kutub selatan. Medan magnet juga dapat ditemukan pada magnet permanen,

kawat yang dialiri oleh arus, elektron atau muatan yang berputar dan lain-lain.

Medan magnet di sekitar magnet permanen atau konduktor listrik dapat

divisualisasikan sebagai kumpulan garis fluks magnetik; garis gaya yang ada

dalam materi yang sedang mengalami pengaruh yang magnetizing.

(a) (b)

(c)

Gambar 1.1 Garis garis medan magnet (a) Bumi, (b) Magnet Batang dan (c) kawat yang dialiri oleh arus



Tidak seperti cahaya, yang berjalan jauh dari sumbernya tanpa batas, garis

fluks magnetik akhirnya harus kembali ke sumbernya. Jadi semua sumber

magnetik yang dikatakan memiliki dua kutub. Garis fluks dikatakan berasal

dari kutub "utara" dan kembali ke kutub "selatan“. Kuat medan magnet

dinyatakan dalam satuan Tesla (T) atau microtesla (μT). Unit lain, yang

umumnya digunakan adalah Gauss (G) atau milligauss (mg), di mana 1 T

adalah setara 10.000 G (atau 1 μT = 10 mG).

1.2 Pengukuran Medan Magnet

Sensor medan magnet telah membantu manusia didalam menganalisis dan

mengontrol ribuan fungsi berpuluh tahun lamanya. Pesawat terbang dapat

terbang dengan aman dengan adanya bantuan dari sensor medan magnet.

Komputer dapat mengetahui sisa jumlah memori dengan bantuan sensor

magnet. Sensor magnet juga dapat membantu kegiatan produksi di pabrik

supaya peralatan produksi dapat bekerja lebih presisi dengan biaya murah.

Kuat medan magnet dapat diukur dengan menggunakan berbagai macam teknologi. Disetiap teknologi pengukuran mempunyai sifat tersendiri berdasarkan kemampuan pengukurannya. Berdasarkan Gambar 1.2, Sensor medan magnet dibagi dua berdasarkan kepekaan pengukuran dimana magnetometer lebih peka untuk mengukur medan rendah dan gausmeter lebih peka untuk mengukur medan tinggi. Pada pengukuran medan magnet rendah (magnetometer) terdapat dua tipe sensor yaitu tipe sensor berdasarkan komponen vektor dan sensor berdasarkan besaran skalar.

Gambar 1.2 Klasifikasi sensor medan magnet

Kepakaan atau karakteristik dari masing-masing sensor itu sendiri dapat dilihat pada Tabel 1.1. berikut. Dimana, sensor magnet mempunyai kelebihan dan kekurangan. Tidak semua sensor dapat digunakan untuk mengukur suatu medan magnet tertentu. Hal ini tergantung dari kemampuan pengukuran,



resolusi, dan bandwidth. Sehingga, ada baiknya sebelum melakukan pengukuran objek ukur diketahui terlebih dahulu.



Tabel 1.1 Karakteristik instrumen sensor medan magnet

Memahami prinsip medan magnet alami sangat penting untuk dapat memahami teknik pengukuran medan magnet. Pada suatu magnet batang, medan magnet dihasilkan berupa besaran vektor yang memiliki besaran (magnitude) dan arah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.3.

Gambar 1.3 Batang magnet menghasilkan medan magnet berupa vektor yang memiliki besaran dan arah

Apabila medan magnet tersebut diukur pada titik jarak seperti yang terlihat pada Gambar 1.3, dapat digambarkan dengan persamaan berikut:

H=3 (m×ar ) ar−m

r 3

Dimana a adalah unit vaktor disepanjang r, r adalah jarak antara sumber magnet dengan titik pengukuran dan m adalah momen dipole magnetik. Intensitas atau kuat objek magnetisasi tergantung pada kerapatan distribusi momen. Intensitas ini biasa disebut magnetisasi M yang dirumuskan sebagai berikut:

M= mvolume

Seperti pada medan magnet, magnetisasi juga merupakan besaran vektor. Magnetisasi merupakan sifat dari suatu material yang dapat meningkat apabila mendapat induksi dari medan magnet luar (eksternal).



Selain medan magnet, terdapat juga vektor magnet yang lain yaitu vektor

induksi magnet B atau rapat flux medan magnet. Besaran rapat flux

berbanding lurus dengan vektor medan magnet H dengan faktor kali μ0seperti

yang dirumuskan pada persamaan berikut:

B=μ0 H

Adapun hubungan antara vektor medan magnet, induksi magnet dan magnetisasi dirumuskan pada persamaan berikut:

B=μ0( H+ M )

Sehingga, vektor induksi dan medan magnet tidak selalu memiliki arah yang sama. Pada suatu bahan yang memiliki sifat magnet anisotropic bisa menyebabkan kedua vektor ini berbeda arah. Vektor magnetisasi bisa terdiri dari magnet permanen dan hasil induksi. Dimana, magnet permanen tidak bergantung pada kehadiran medan luar (eksternal). Sedangkan vektor magnetisasi induksi bergantung pada medan magnet luar dan hanya akan ada bila ada medan induksi.

Tabel 1.2 Perbandingan sensor medan magnet

1.3 Magnetometer Vektor untuk Medan Rendah

1.3.1 Magnetometer Kumparan Induksi

Sensor kumparan induksi (search coil sensor, pickup coil sensor, magnetic

antenna) adalah salah satu sensor magnetik tertua dan terkenal. Kumparan

induksi , yang merupakan salah satu perangkat paling sederhana

penginderaan medan magnet. Merupakan fungsi transfer V=f ( B) hasil dari



hukum Faraday tentang induksi. Dimana bila ada suatu flux magnet φ yang

melewati suatu koil akan menghasilkan tegangan yang proposional

(berbanding lurus) dengan perubahan flux.

Gambar 1.4 Sensor kumparan induksi (a) inti udara (b) inti ferromagnetic

V=−n ∙ dφdt

=−n∙ A ∙ dBdt

=−μ0∙ n ∙ A ∙dHdt

Persamaan diatas adalah persamaan untuk koil inti udara, sedangkan

persamaan faraday untuk antena rod dengan inti feromagnetik adalah sebagai

berikut:

V=−μ0∙ μr ∙ n ∙ A ∙dHdt

Dimana μr adalah permiability dari material rod.

1.3.1.1 Antena Loop Inti Udara

Inti udara antena loop terdiri dari sebuah loop lingkaran atau persegi panjang

yang berisi satu atau lebih dari lilitan kawat dan tidak ada inti magnetik.

Diameter lingkaran biasanya jauh lebih besar dari dimensi penampang lilitan.

Kepekaan antena loop melingkar dengan diameter dalam lilitan d dan

penampang persegi panjang adalah sekitar:

K=μ0∙ n ∙ π ∙d2

4 [1+2( td )+ 34 ( td )2]



Gambar 1.5 Antena loop inti udara

Dimana t adalah tebal lilitan dan n adalah jumlah lilitan.

Salah satu contoh dari antena loop udara adalah Rogowski Coil merupakan alat ukur arus yang memanfaatkan medan magnet yang timbul pada konduktor yang dialiri oleh arus. Medan magnet H di konversikan kedalam bentuk arus kembali oleh lilitan toroid. Rogowski Coil terdiri dari kawat tanpa isolasi yang diletakkan di dalam inti non-magnetik (relative permittivity, μr = 1). Belitan diletakkan di sekitar konduktor yang arusnya akan diukur. Untuk mendapatkan sensor arus yang baik, Rogowski Coil harus memenuhi beberapa persyaratan, yaitu:

Posisi relatif konduktor (belitan) primer di dalam belitan harus tidak mempengaruhi keluaran

Pengaruh konduktor yang berdekatan dan membawa arus tinggi terhadap keluaran belitan harus seminimal mungkin

Gambar 1.6 Sensor arus listrik Koil Rogowski yang memanfaatkan medan magnet

1.3.1.2 Antena Batang (Rod)

Antena batang adalah alternatif yang baik dari antena loop inti udara. Dengan sensitivitas yang sama, ukuran antena batang lebih kecil dari antena loop, dan dapat dirancang untuk beroperasi pada frekuensi yang lebih rendah. Akan



tetapi mempunyai kelemahan dalam menanggapi kuat medan magnet dapat nonlinier dan menambahkan noise pada inti.

Gambar 1.7 Antena Batang (Rod)

Gambar 1.7 merupakan gambar dari rod antenna. Merupakan bentuk solenoid

dengan inti magnet. Inti dari antena batang ini bisa berbentik lingkaran

maupun persegi empat. Bahan yang digunakan sebagai inti adalah; ferrite,

nikel iron alloy, amorphous metal glass alloy, atau material lainnya yang

mempunyai permiabilitas relatif tinggi. Kumparan bisa langsung dililitkan

langsung ke inti atau kepada selubung dimana inti dimasukan. Isolasi

terkadang dipasang diantara lapisan kumparan untuk mengurangi distribusi

kapasitansi. Perisai elektrostatik biasanya dipasang disekitar kumparan untuk

mengurangi gangguan medan listrik pada sinyal.

Sensitivitas dari kumparan induksi ini tergantung pada permiabilitas dari material inti, luas kumparan,jumlah lilitan, dan perubahan jumlah flux magnet yang masuk ke kumparan. Berikut adalah permiabilitas material yang biasa digunakan untuk mengukur medan magnet.

Tabel 1.3 Sifat magnet core dari berbagai material



1.3.1.3 Pengkondisian sinyal

Pengkondisian sinyal dari magnetometer coli induksi berupa penguat tegangan maupun penguat arus.

Output sinyal dari penguat tegangan sebanding dengan besar dan frekuensi medan pada frekuensi di bawah resonansi. Output-nya akan mencapai puncaknya pada frekuensi resonansi kumparan atau frekuensi tuning. Amplitudo dari penguat tegangan sinyal kumparan induksi sebanding dengan frekuensi dan kuat medan. Karena sinyal outputnya tergantung pada kuat frekuensi dan medan magnet, penguat tegangan lebih cocok untuk band sempit atau aplikasi frekuensi yang dicari.

Gambar 1.8 Pengkondisian sinyal penguat tegangan

Amplitudo dari penguat-arus, sinyal kumparan induksi akan sebanding dengan kuat medan dan tidak terpegaruh dengan frekuensi saat diluar frekuensi sudut L/R. Untuk alasan ini, konfigurasi penguat arus sangat cocok untuk broadband pengukuran kekuatan medan magnet. Konfigurasi penguat arus meminimalkan distorsi intermodulasi dalam gulungan induksi dengan inti magnet. Arus yang mengalir melalui kumparan menghasilkan medan magnet yang menentang medan lingkungan. Hal ini membuat medan bersih dalam inti mendekati nol dan di daerah linier dari kurva B-H.

Magnetometer induksi penguat-arus berbasis koil telah dibangun yang memiliki respon frekuensi datar dari 10 Hz sampai lebih dari 200 kHz.

Gambar 1.9 Pengkondisian sinyal penguat arus



1.3.2 Magnetometer Fluxgate

1.3.2.1 Prinsip Fluxgate Magnetometer

Selain magnetometer induksi kumparan magnetometer fluxgate merupakan

teknologi yang sering digunakan untuk mengukur medan magnet. Prinsip

Fluxgate magnetometer adalah dengan menggunakan dua buah inti material

magnetis, seperti mumetal, permalloy, ferrite dan sebagainya. Pada medan

magnet yang lemah logam tersebut mempunyai permeabilitas besar. Untuk

desain yang umum kedua inti masing-masing diberi lilitan primer yang sama

tetapi arahnya berlawanan, dan lilitan sekunder arahnya berlawanan. Lilitan

primer dihubungkan dengan sumber arus bolak-balik frekuensi rendah (50-

1000 Hz), lilitan sekunder dihubungkan dengan suatu amplifier. Bila kumparan

primer dihubungkan dengan sumber arus, maka pada kumparan sekunder

timbul arus induksi yang arahnya berlawanan.

Bila ada medan magnet luar maka salah satu kumparan akan mengalami flux magnet yang lebih besar dari yang lainnya, tetapi dalam setengah gelombang berikutnya kumparan yang mengalami flux magnet tambahan berganti dengan kumparan kedua. Sehingga pada saat yang sama kedua kumparan mempunyai pulsa yang berbeda, dan keluaran dari kumparan sekunder merupakan pulsa tegangan yang berasal dari selisih flux yang ditimbulkan kumparan primer. Tinggi pulsa sebanding dengan medan magnet luar yang mempengaruhinya.



Gambar 1.10 Fluxgate magnetometer

Ketika arus sinusoidal diterapkan pada salah satu kumparan, akan memagnetisasi kumparan. Selanjutnya menyebabkan saturasi magnetisasi pada masing-masing setengah siklus. Karena mengalami hysterisis, fluk magnetik yang melewati inti akan menelusuri loop melawan intensitas medan magnet. Perubahan kerapatan flux akan dirasakan oleh kumparan kedua. Saat inti akan saturasi, reluktansi inti ke medan magnet ekternal diukur naik, membuat medan magnet kurang aktraktif untuk melewati inti. Sensitivitas dari sensor ini tergantung pada kurva hysterisisnya.

Gambar 1.11 Sistem operasi magnetometer fluxgate



1.3.2.2 Pengkondisian Sinyal

Gambar 1.12 Bidang eksitasi fluxgate dan sinyal keluaran

Sinyal dari fluxgate adalah amplitudo-dimodulasi menekan pembawa sinyal yang sinkron dengan sinyal eksitasi harmonik kedua. Pada magnetometer sederhana daya rendah, sinyal ini dikonversi ke base band menggunakan demodulator sinkron, disaring, dan disajikan sebagai hasil akhir. Keakuratan magnetometer yang menggunakan arsitektur loop terbuka dibatasi oleh linieritas kurva magnetisasi inti dan sekitar 5% untuk aplikasi bidang bumi (60 mT). Bidang eksitasi fluxgate magnetometer bergantian menggerakkan inti menjadi saturasi positif atau negatif, menyebabkan permeabilitas efektif inti untuk beralih antara 1 dan nilai besar dua kali setiap siklus.

Pengkondisian sinyal magnetometer fluxgate dengan umpan balik lebih presisi

dan stabil dibandingkan menggunakan pengolahan sinyal open loop. Pada

pengkondisian sinyal ini sebagai sumber eksitasi menggunakan rangkaian flip-

flop yang menghasilkan arus eksitasi pada kumparan eksitasi. Sensor keluaran

AC diperkuat, didemodulasi serentak, dan disaring. Sebuah medan magnet

yang nulls bidang lingkungan pada sensor diproduksi dengan menghubungkan

Rf resistor antara output dan sinyal kumparan.



Gambar 1.13 Pengkondisian sinyal magnetometer fluxgate dengan umpan balik

1.3.3 Magnetometer SQUID

1.3.3.1 Superconducting Quantum Interference Device-SQUID

Magnetometer berdasarkan Superconducting Quantum Interference Device

(SQUID) saat ini, merupakan instrumen yang paling sensitif yang tersedia

untuk mengukur kuat medan magnet. Magnetometer SQUID mengukur

perubahan dalam medan magnet dari beberapa tingkat medan, mereka tidak

secara intrinsik mengukur nilai absolut dari medan. Penelitian biomedis adalah

salah satu aplikasi dari magnetometer SQUID. SQUID magnetometer dan

gradiometers (mengukur variasi spasial dalam medan magnet) memiliki

sensitivitas tinggi untuk mengukur medan magnet yang lemah yang dihasilkan

oleh tubuh. Hal ini didasarkan pada interaksi yang luar biasa dari arus listrik

dan medan magnet, ketika bahan-bahan tertentu didinginkan di bawah suhu

transisi superkonduktor. Pada suhu ini, bahan menjadi superkonduktor,

mereka kehilangan semua hambatan terhadap aliran listrik.



Gambar 1.14 Aplikasi superconducting quantum interference device-SQUID

Brian D. Josephson pada tahun 1962, mahasiswa pascasarjana di Universitas

Cambridge, memprediksi bahwa arus dapat mengalir antara dua

superkonduktor yangdipisahkan oleh sebuah lapisan isolasi tipis. Besarnya

arus yang dapat melalui superkonduktor "persimpangan Josephson" ini

dipengaruhi oleh adanya medan magnet. Prinsip kerja ini menjadi dasar dari

magnetometer SQUID.

Gambar 1.15 Josephson juction dan kurva arus pada tegangan nol

Gambar 1.15 mengilustrasikan struktur umum dari sebuah persimpangan

Josephson dan hubungan tegangan-arus (V-I). Dua superkonduktor (misalnya,

niobium) yang dipisahkan oleh sebuah lapisan isolasi sangat tipis (misalnya,

oksida aluminium). Ketebalan lapisan ini biasanya 1 nm. Ketika suhu

persimpangan berkurang menjadi di bawah 4,2 K (-269°C), superkonduktor

arus akan mengalir dipersimpangan dengan 0 V di persimpangan. Besarnya



arus disebut Ic kritis adalah fungsi periodik dari fluks magnet yang ada di

persimpangan. Besarnya nilai-nilai fluks maksimum yang terjadi sama dengan

nφ0 dimana φ0 merupakan salah satu fluks kuantum (2 FW), dan besar

minimum untuk nilai-nilai fluks yang terjadi sama dengan (n + 1 / 2)φ0. Periode

ini adalah salah satu fluks kuantum. Fenomena ini disebut "efek Josephson DC"

dan hanya salah satu "efek Josephson". Magnetometer didasarkan pada

Device superkonduktor Quantum Interference (SQUID) saat inimerupakan

instrumen yang paling sensitif yang tersedia untuk mengukur kekuatan medan

magnet.


SQUID secara magnetis terbiaskan pada titik sensitivitas optimal. Sebuah medan magnet AC kecil pada 100 kHz sampai 500 kHz ditumpangkan pada bidang bias. Keluaran dari SQUID adalah pembawa sinyal amplitudo termodulasi. Dimana amplitudo menunjukkan perubahan medan magnet dari titik bias, dan fase menunjukkan polaritas perubahan. Sinyal output diperkuat dan kemudian serentak didemodulasi ke band dasar. Sinyal DC yang dihasilkan diperkuat dan di hubungkan kembali melalui resistor kumparan yang digabungkan ke SQUID. Arus melalui kumparan menghasilkan medan magnet di SQUID yang menentang bidang diterapkan. Hal ini membuat titik SQUID operasi yang sangat dekat titik bias. Faktor skala magnetometer tergantung pada resistor umpan balik dan konstanta kumparan dari kumparan umpan balik dengan cara yang sama seperti pada magnetometer medan umpan balik fluxgate.

Gambar 1.16 Pengkondisian sinyal magnetometer SQUID



1.4 Gaussmeters Vector untuk Medan Tinggi

1.4.1 Gaussmeter Efek Hall

1.4.1.1 Efek Hall

Efek Hall adalah konsekuensi dari hukum gaya Lorentz, yang menyatakan

bahwa apabila muatan q bergerak, ketika ditindaklanjuti oleh medan induksi

magnet B, akan memberikan gaya bahwa F tegak lurus terhadap vektor

medan dan vektor kecepatan v muatan sebagaimana dinyatakan oleh

persamaan berikut:

Perangkat efek Hall terdiri dari konduktor persegi panjang tipis atau

semikonduktor dengan dua pasang elektroda tegak lurus satu sama lain.

Gambar 1.17 Efek hall


Sebuah Gaussmeter Efek Hall sederhana dapat dibangun menggunakan sirkuit pengkondisian sinyal yang ditunjukkan pada Gambar dibawah.

Tegangan referensi, penguat operasional, dan resistor Rs yang dapat diatur menghasilkan sumber arus presisi yang konstan Ic untuk efek Hall.

Untuk performa terbaik, referensi tegangan dan Rs harus sangat stabil dari suhu dan waktu.

Sebuah penguat daya dibutuhkan untuk kontrol arus diatas 20 mA



Gambar 1.18 Pengkondisian sinyal berdasarkan efek hall

1.4.2 Gaussmeter Magnetoresistive

1.4.2.1 Efek Magnetoresistive

Efek magnetoresistive merupakan perubahan resistensi pada suatu

ferromagnetik material yang disebabkan oleh adanya medan magnet

eksternal.

Material seperti Permalloy (nikel dan besi) dapat digunakan sebagai sensor

mzgneto resistansi (Anisotropic Magnetoresistance-AMR sensor). Selama

fabrikasi sebuah elemen resistor AMR, medan magnet diterapkan sepanjang

panjangnya strip untuk menarik dan membangun sumbu M. Arus i dilewatkan

melalui film di 45° dari sumbu M atau anisotropik. Sebuah medan magnet Ha

yang diterapkan tegak lurus vektor magnetisasi M menyebabkan vektor

magnetisasi memutar dan mengubah magnetoresistance. Perubahan

resistansi AMR berbandinglurus dengan kuat medan magnet Ha



Gambar 1.19 Efek magnetoresistive


Rangkaian Pengondisi sinya jembatan Wheatstone Konvensional dapat digunakan untuk memproses jembatan AMR. Sensitivitas jembatan dan offset nol sebanding dengan tegangan jembatan, sehingga sangat penting untuk menggunakan pasokan yang teratur dengan baik dengan noise yang rendah dan stabilitas suhu yang baik. Arah magnetisasi dapat membalik secara bergantian untuk menghilangkan nol offset. Sinyal AC yang dihasilkan kemudian dapat diperkuat dan serentak fase terdeteksi untuk memulihkan sinyal bidang terkait. Jangkauan dan stabilitas Gaussmeter AMR dapat ditingkatkan dengan menghubungkan tegangan output melalui resistor untuk kumparan umpan balik yang menghasilkan medan yang nulls bidang diterapkan.



Gambar 1.20 Pengkondisian sinyal magnetoresistive

1.5 Magnetometers Skalar

Magnetometer skalar mengukur besaran magnitude dari medan magnet

dengan memanfaatkan sifat atom dan nuklir dari suatu materi. Ketika

dioperasikan pada kondisi yang tepat, instrumen ini memiliki resolusi dan

akurasi sangat tinggi dan relatif tidak sensitif terhadap orientasi. Instrumen

memerlukan medan magnet seragam di seluruh volume elemen penginderaan.

Magnetometer skalar memiliki interval pengukuran yang terbatas, biasanya 20

mT sampai 100 mT. Magnetometer skalar memiliki keterbatasan dalam hal

orientasi vektor medan magnet relatif terhadap elemen sensor.

1.5.1 Magnetometer Proton Precession

1.5.1.1 Prinsip Kerja

Proton adalah ion positif hidrogen (h+) terdapat banyak dalam air dan

senyawa hidrocarbon (hc). Proton yang punya medan magnet spin, ketika

dikenai medan magnet akan melakukan gerakan presisi. Frekuensi sudut

presisi ini akan sebanding dengan kuat medan magnet. Dengan cara ini

medan magnet dapat diukur. Dengan tambahan teknik akurasi maka medan

magnetik dapat diukur oleh presisi proton.



Gambar 1.21 Ilustrasi presisi proton


Magnetometer proton presisi menggunakan medan magnet yang kuat untuk

mempolarisasi proton dalam hidrokarbon dan kemudian mendeteksi frekuensi

presesi proton sementara mereka meluruh ke kondisi nonpolarized setelah

medan polarisasi dimatikan.

Gambar 1.22 Pengkonsisi sinyal magnetometer proton precession

1.5.2 Magnetometer Optically Pumped

1.5.2.1 Prinsip Kerja

Magnetometer optik dipompa didasarkan pada efek Zeeman. Zeeman

menemukan bahwa perlakuan medan kepada atom, yang memancarkan atau



menyerap cahaya, akan menyebabkan garis spektrum dari atom terpecah

menjadi satu set garis spektrum baru yang jauh lebih dekat dari garis normal.

Energi yang berhubungan dengan frekuensi interval antara garis-garis

hyperfine ini sebanding dengan besarnya medan diterapkan. Tingkat energi

mewakili keadaan energi dapat atom lakukan. Magnetometer optik dipompa

memanfaatkan karakteristik ini dengan optik merangsang atom untuk

menghasilkan kedudukan energi besar di salah satu garis spektral hyperfine

dan kemudian mengosongkannya dengan menggunakan medan magnetik RF.

Frekuensi RF yang diperlukan untuk mengosongkan kedudukan energi sama

dengan perbedaan spektral garis hyperfine dihasilkan oleh medan magnet,

karenanya, frekuensi RF sebanding dengan kekuatan medan magnet.

Gambar 1.23 Magnetometer Optically Pumped


Penkondisian sinyal pada Magnetometer Optically Pumped biasanya dapat

dilakukan dengan dua cara:

Magnetometer servoed: sedikit memodulasi medan RF pada frekuensi rendah, menyebabkan transmisivitas uap untuk memodulasi. Sebuah detektor fasa memberikan sinyal error yang digunakan untuk mengunci osilator RF dengan frekuensi Larmor.

Magnetometer osilasi sendiri : transmisivitas dari uap, pada sudut kanan bidang diterapkan, dibuat untuk berosilasi pada frekuensi Larmor oleh



phaseshifting modulasi cahaya dideteksi dan makan kembali ke generator bidang RF

Gambar 1.24 Contoh pengkondisian sinyal Magnetometer Optically Pumped



Daftar Pustaka

[1] Coillot, Christophe and Paul Leroy, Induction Magnetometers Principle,

Modeling and Ways of Improvement, LPP Laboratory of Plasma Physics,

France, 2008.

[2] Dunn, William C., Fundamentals of Industrial Instrumentation and

Process Control, The McGraw-Hill Companies, 2005.

[3] Hurst, Randolph W., Electrical Testing & Measurement Handbook vol.7,

The Electricity Forum 2007.

[4] Lenz, James E., A Review of Magnetic Sensors, Proceedings of the IEEE,

Vol. 78, No. 6, June 1990

[5] Omega,, Instruction Manual, Model HHG-23, GAUSS / TESLA METER, Rev.

- 06/98, June 1998.

[6] Tumanski, Slawomir, Induction Coil Sensors, IEEE

[7] Webster, John G., Electrical measurements, signal processing, and

displays, CRC, 2004.


Documents

Bab 12 Pengukuran Medan Magnet