Time-of-Flight Ultrasonic Displacement Sensors

Rakhmad Gusta

Tujuan

Merancang sistem displacement dengan menggunakan sensor ultrasonic

Definisi Displacement

Displacement/ Pergeseran identik perpindahan dari suatu obyek digambarkan sebagai panah/garis vektor dari titik awal menunjuk suatu titik akhir. Maka jelas berbeda dari jarak tempuh kecuali pada kasus gerak garis lurus. Jarak tempuh perjalanan yang dibagiwaktu tempuh disebut kecepatan.

Sensor-sensor displacement

Resistif displacement sensorinductive displacement sensorcapasitif displacement sensorlaser interferometer displacement sensorsensor defleksi opticStrain GagesTime-of-Flight Ultrasonic Displacement Sensors

Sensor-sensor displacementResistive displacement sensorContoh: Precisions Potensiometer

Gambar 1. Potensiometer tipe geser(a), tipe putar(b)

inductive displacement sensorContoh: single-coil,sensor displacement

Sensor-sensor displacement

Gambar 2. Single-coil, sensor displacement

capasitif displacement sensorContoh: Capasitif presure sensor

Sensor-sensor displacement

Gambar 3. capasitif pressure sensor

Ultrasonic adalah gelombang getar dengan frekuensi lebih tinggi daripada kemampuan pendengaran manusia, frekuensinya diatas 20 kHz. Aplikasi dasar untuk pengukuran dari ultrasonic adalah time-of-flight/ waktu lintas. Sebagai contoh pemantulan pulsa/ pulse-echo method. Sebuah pulsa ultrasonic dipancarkan ke sebuah benda. Ketika pulsa tersebut mengenai benda maka, pulsa tersebut akan dipantulkan sebagian atau semuanya ke alat penerima. Sehingga dengan kecepatan suara yang diketahui dan waktu pemantulan yang diketahui maka dapat dihitung jarak pantulan tersebut.

Time-of-Flight Ultrasonic Displacement Sensors

Pulse Echo Methode

Gambar 4. Prinsip kerja Pulse Echo Method

Persamaan Dasar

d : jarak (meter)c : cepat rambat bunyi (meter/detik)*t : waktu tempuh (detik)* nilainya tergantung kepada medium yang dilalui.

Tranduser Ultrasonic

MekanikContoh: Sirine

ElektromagnetikContoh: Loud speaker

PiezoelektrikContoh: XtalElektrostatik

Gambar 5. Tranduser Ultrasonic piezoelektrik(kiri), Elektrostatik (kanan)

PERANCANGAN

Spesifikasi Rancangan

Digunakan untuk mengukur jarak dengan medium gelombang udaraMenggunakan tranduser ultrasonicMenggunakan sebuah pemancar dan sebuah penerima ultrasonicRange pengukuran tertentuMenggunakan penampil LCD

Spesifikasi Sensor

Range pengukuran : 0,2 s.d 2 mResolusi : 9mm

Diagram Blok

Control Unit

Microcontroller

OscillatorPengkondi

siSinyal 1

Pengkondisi

Sinyal 2

PenghitungSelisih Waktu

Pengolah Data

Penampil (LCD)

Transmitter

Receiver

Mikrokontroller Sebagai kontrol unit, penghitung selisih waktu dan Pengolah DataOscillatorMerupkan rangkaian pembangkit sinyal ultrasonic Pengkondisi Sinyal 1Merupakan gabungan dari modulator digital, penguat, dan driver tranduser ultrasonic.Transmitter dan Receiver Merupakan tranduser ultrasonic 40kHzPengkondisi Sinyal 2Merupakan gabungan penguat, Hi pass filter, triger schmit dan tone decoder.

Oscillator

F=1/T=1.44/(R2/R1)C1Duty cycle= R2/(R1+2R2)

Misalkan C=10nFDuty cycle 60%F=40kHzMaka R1=0.7215kR2=1.443k

Rangkaian Transmiter

Rumus Penguatan Non Inverting

Penguatan diinginkan 2 kali maka Rf=Ri

ii

f

i

ififiO V

R

R

R

VRRIRRV

1)()(

Rangkaian Receiver

Hi pass filterAv=(R2/R1+1)Fc=1/(2.phi.R2.C1)

Av=101, maka R2=100.R1Fc=40kHzC1=1n maka R1=4kohm

Tone Decoder

Fo=40kHzC1= 3.3nF maka R1= 6.887kOhm

Flow chartStar

t

PembangkitanPulsa 40 kHs

Delay 0.2 mSec

Stop PembangkitanPulsa 40 kHs

IfTonedecoder output low

Hitung waktu responDan jarak

stop