1

PIEZOELEKTRIK

1.1 PENGERTIAN

Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada

suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut

yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien

muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton.

Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan

piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun

1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek

piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik.

Jacques dan Pierre Curie mengombinasikan pengetahuan akan piroelektrisitas

(kemampuan bahan‐bahan tertentu untuk menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan‐bahan itu dipanaskan atau didinginkan) dengan pemahaman akan struktur dan

perilaku sebuah kristal pada kristal turmalin, kuarsa,ratna cempaka, dan garam rossel. Dari uji

coba tersebut diketahui bahwa kristal kuarsa dan garam rossel memperlihatkan kemampuan

piezoelektrisitas paling besar saat itu.

Piezoelektrik berasal dari bahasa Yunani yaitu piezo yang artinya tekanan dan elektrik

yang berarti listrik. Bahan piezoelektrik adalah suatu bahan yang apabila diberi stress

(tekanan) mekanik akan menghasilkan medan listrik sebaliknya apabila medan listrik

diterapkan pada bahan piezoelektrik akan terjadi deformasi mekanik atau perubahan dimensi

bahan.

Piezoelektrik adalah tumpukan muatan dalam materi padat (kristal atau keramik)

tertentu dalam menanggapi regangan mekanik yang dikenakan. Kata piezoelektrik yang

berarti memeras atau tekan, dan elektrik yang berarti listrik atau electron. Kata yang

2

piezoelektrik berarti listrik yang dihasilkan dari tekanan. Sumber muatan listrik piezoelektrik

merupakan akibat dari efek piezoelektrik.

1.2 BAHAN PIEZOELEKTRIK

Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai

regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material

tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis. Bahan piezoelektrik alami

diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik

buatan diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate

(PbTiO3) dsb.

Bahan Piezoelektrik Alam

Kuarsa, garam Rochelle, tourmaline

Sangat stabil

Sensitivitas rendah

Bahan Piezoelektrik Buatan

Barium titanate, lead circonate titanate, lead metaniobate

Sensitivitas tinggi

Kurang stabil

3

1.3 KARAKTERISTIK BAHAN PIEZOELEKTRIK

Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga beberapa

bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative membentuk

elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan

listrik material yang dapat berubah akibat gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati

material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan

dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristalmateri. Penyesuaian molekul akan

mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek

piezoelektrik).

(A) Sebelum diberi tekanan atau medan listrik.

(B) Ketika diberi medan listrik, bahan memanjang.

(C) Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek.

(D) Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar terjadi.

4

1.4 EFEK PIEZOELEKTRIK

Efek piezoelektrik adalah kemampuan dari suatu material untuk bergetar ketika

diberikan tegangan pada material tersebut dan sebaliknya, apabila material tersebut diberi

tekanan maka material tersebut akan menghasilkan tegangan.

Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan

mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan

menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau

struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi.

Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction.

Efek piezoelektrik langsung

Bila pelat piezoelektrik diberi tekanan, maka akan timbul muatan listrik pada

kedua permukaannya

Pelat juga merupakan kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu, timbul

beda tegangan

Efek piezoelektrik balik

Bila pelat piezoelektrik diberi tegangan listrik, maka kedua permukaannya

mendapat tekanan

Pelat juga merupakan bahan elastik dengan konstanta elastik tertentu, tebalnya

akan berubah

5

Tegangan bolak-balik Pelat bergetar

1.5 TRANSDUCER PIEZOELEKTRIK

Transduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energikedalam bentuk energi

yang lain. Transduser ultrasonik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dalam

bentuk suara dan sebaliknya. Transduser akan mengeluarkan gelombang ultrasonik dengan

frekuensi di atas 20 kHz. Transduser ultrasonik 40 kHz akan membangkitkan gelombang

dengan frekuensi 40 kHz, transduser akan aktif jika diberi sinyal dengan frekuensi dengan 40

kHz. Transduser ultrasonik terdiri atas dua macam yaitu pengirim (transmitter) Tx dan

penerima (receiver) Rx. Transduser ultrasonik terbuat dari material piezoeletrik, yaitu terbuat

dari material quartz (SiO3) atau barium titanat (BaTiO3) yang akan menghasilkan medan

listrik pada saat material berubah bentuk atau dimensinya sebagai akibat gaya mekanik.

6

Lapisan tipis piezoelectric adalah suatu bahan tipis yang terbuat dari bahan

piezoelectric misalnya Rochelle-salt atau quartz yang memiliki kemampuan menghasilkan

tegangan listrik bila dikenai tekanan. Bila bahan tersebut dikenai tekanan maka akan terjadi

distorsi dan tekanan listrik akan dihasilkan dari kedua permukaannya (gambar).

Pada prinsipnya, efek piezoelectric diperoleh dari ketidakseimbangan distribusi arus

listrik pada bahan piezoelktric yang disebabkan oleh terjadinya tegangan (stress) pada bahan

tersebut dan selanjutnya mengakibatkan terjadinya regangan. Bila kedua permukaan bahan

tersebut dilapisi dengan bahan logam dan lempengan kecil tembaga ditempelkan padanya,

maka perubahan arus listrik ini akan mengakibatkan terjadinya sinyal tegangan listrik pada

lempeng tembaga tersebut. Efek ini dapat dibalik yaitu bila tegangan listrik dikenakan pada

bahan tersebut maka akan terjadi regangan.

Matching layers, lens

Piezoelectric (PZT) ceramic elements

Backing layer

7

Beberapa transduser yang bekerja menggunakan bahan piezo elektrik antara lain:

Piezoelectric elements are also used in the detection and generation of sonar waves.

Power monitoring in high power applications (e.g. medical treatment, sonochemistry

and industrial processing).

Piezoelectric microbalances are used as very sensitive chemical and biological

sensors.

Piezos are sometimes used in strain gauges.

Piezoelectric transducers are used in electronic drum pads to detect the impact of the

drummer's sticks.

1.6 RANGKAIAN TRANSDUCER PIEZOELEKTRIK

8

1.7 APLIKASI

Penggunaan sensor piezoelektrik untuk menentukan lokasi kerusakan dini pada

komponen mesin melalui analisa penjalaran gelombang tegangan (emisi akustik).

Penggunaan piezoelektrik pada ultrasonic tranduser untuk pencitraan medis seperti pada

USG. Penggunaan sensor piezoelektrik di bidang transportasi seperti pada palang pintu rel

kereta yang tanpa penjaga, yang akan menutup otomatis apabila ada kereta api yang

mendekat pada jarak tertentu dan akan terbuka kembali ketika kereta api menjauh.

Penggunaan piezoelektrik di jepang yang diaplikasikan pada pintu masuk sebuah stasiun. Ada

juga penggunaan pada microphone yang memanfaatkan tekanan suara untuk menekan

komponen piezoelektrik.

9

Pemanfaatan bahan piezoelectric pada sistem sonar

1.8 KELEBIHAN DAN KELEMAHAN

1.8 KELEBIHAN PIEZOELEKTRIK

Elemen piezoelektrik mempunyai beberapa kelebihan penting dibandingkan

mekanisme sensing yang lain. Pertama dan yang utama adalah fakta bahwa piranti tersebut

membangkitkan sendiri tegangannya. Karena itu elemen ini tidak memerlukan daya dari luar

untuk operasionalnya. Untuk suatu aplikasi di mana konsumsi daya sangat terbatas, piranti

piezoelektrik sangat berguna.Tambahan lagi, efek piezoelektrik memiliki hukum penyekalaan

yang menarik sehingga bermanfaat pada piranti yang kecil.

1.9 KELEMAHAN PIEZOELEKTRIK

Piezoelektrik bukanlah suatu dielektrik yang bagus. Ada sedikit kebocoran muatan

pada material piezoelektrik. Karena fenomena ini, ada suatu konstanta waktu penyimpanan

tegangan pada piezoelektrik setelah diberikan suatu gaya. Konstanta waktu ini tergantung

pada kapasitansi elemennya dan pada resistansi kebocorannya. Konstanta waktunya berada

10

pada orde 1 detik. Karena efek ini, piezoelektrik kurang bermanfaat untuk mendeteksi

besaran static seperti berat suatu benda.

Aspek penting lainnya dalam penggunaan piezoelektrik adalah adanya kenyataan

bahwa material piezoelektrik dibuat melalui proses kristalisasi kisi‐kisi (laticce) dalam

susunan tertentu. Hal tersebut dilakukan dengan memanaskan kristal sampai diatas suhu

Curie sambil menerapkan tegangan pada elektrodanya. Jika kristal telah dipanaskan

mendekati suhu Curie, material tersebut dapat menjadi “ de pole “ yang dapat menghasilkan

pengurangan sensitifitas piezoelektrik. Untukberagam material, suhu curie ini berada antara

50 –600 ° C. Pemanasan dibawah suhu Curie dapat membatasi penggunaan sensor ini.

Kekurangan utama sensing piezoelektrik ini adalah sensitifitasnya hanya bagus untuk

sinyal yang berubah‐ubah terhadap waktu. Sensing piezoelektrik tidak dapat beoperasi untuk

aplikasi‐aplikasi yang membutuhkan sensitifitas terhadap besaran statik. Meskipun demikian,

jika ada sinyal yang berubah terhadap waktu,perlu adanya pemikiran yang serius pada

penggunaan elemen sensing piezoelectric.

11

SENSOR GAS

2.1 PENGERTIAN

Sumber daya alam yang bermanfaat bagi kehidupan manusia sangatlah banyak

tersedia di bumi ini. Baik itu sumber daya alam yang dapat diperbaharui maupun sumber

daya alam yang tidak diperbaharui. Gas LPG merupakan salah satu hasil dari sumber daya

alam yang tidak dapat diperbaharui.Peranan Gas LPG pada saat ini sangatlah penting bagi

kehidupan manusia. Teringat, semakin menipisnya persediaan minyak dibumi ini perlahan –

lahan Gas LPG mulai menggantikan peranan utama dari minyak bumi sebagai bahan bakar

altetnatif baik itu dalam bidang industri, rumah tangga, maupun transportasi

Terkadang kala manusia terbuai akan kayanya sumber daya alam ini. Disaat sengaja maupun

tidak sengaja, Gas LPG menjadi dampak negatif terhadap kesehatan manusia bahkan

menimbulkan kerugian yang cukup besar apabila tidak digunakan dengan hati – hati terutama

bila tidak diketahui telah terjadinya kebocoran dari tabung atau tempat penyimpanan Gas

LPG. Seharusnya, Gas LPG tersebut sesuatu yang dapat mempermudah kelangsungan hidup

manusia tetapi menjadi kerugian manusia

Sensor gas adalah sensor yang befungsi untuk mengukur senyawa gas polutan yang

ada di udara,seperti karbon monoksida, hidrokarbon, nitrooksida, dan lain-lain. Sudah

semakin banyak dipasaran telah beredar pengindra ga semikonduktor. Tentunya dibedakan

oleh sensitivitas sensor tersebut, semakin mahal maka sensitivitas semakin bagus. Pengindra

gas tersebut bekerja dengan semakin tinggi konsentrasi gas maka resistansinya semakin

rendah. Banyak sekali type sensor gas yang digunakan dan tersedia dipasaran, seperti sensor

gas untuk mendeteksi gas LPG yaitu type TGS 2610 dan sensor gas untuk mendeteksi asap

rokok yaitu type AF 30. Pada pembahsan ini yang di bahas adalah Sensor Gas Type AF 30.

Sensor AF 30 adalah sensor yang dapat mendeteksi asap rokok. Jenis sensor asap secara

12

umum dibagi menjadi 3 macam yaitu ionization smoke detector, photoelectric smoke

detector, dan air-sampling smoke detector. Perbedaan dari ketiga jenis smoke detector

tersebut hanyalah pada metode deteksinya.

2.2 Cara Kerja Sensor Gas Secara Umum

Terbentuk pada permukaan luar kristal. Tegangan permukaan yang terbentuk akan

menghambat laju aliran electron seperti tampak pada ilustrasi gambar. 

Ilustrasi penyerapan O2 oleh sensor

Sensor Gas Tipe Semikonduktor 

a. Prinsip Kerja Sensor Gas Tipe Semikonduktor

Sensor gas terdiri dari elemen sensor, dasar sensor dan tudung sensor. Elemen sensor terdiri

dari bahan sensor dan bahan pemanas untuk memanaskan elemen. Elemen sensor

menggunakan bahan-bahan seperti timah (IV) oksida SnO2, wolfram (VI) oksida WO3, dan

lain-lain, tergantung pada gas yang hendak dideteksi. Gambar berikut menunjukkan susunan

(struktur) dasar sensor gas.

13

Susunan Dasar Sensor Gas

Bila suatu kristal oksida logam seperti SnO2 dipanaskan pada suhu tinggi tertentu di udara,

oksigen akan teradsorpsi pada permukaan kristal dengan muatan negatif . Elektron-elektron

donor pada permukaan kristal ditransfer ke oksigen teradsorpsi, sehingga menghasilkan suatu

lapisan ruang bermuatan positip. Akibatnya potensial permukaan terbentuk, yang akan

menghambat aliran elektron. Di dalam sensor, arus listrik mengalir melalui bagian-bagian

penghubung (batas butir) kristal-kristal mikro SnO2. Pada batas-batas antar butir, oksigen

yang teradsorpsi membentuk penghalang potensial yang menghambat muatan bebas bergerak.

Tahanan listrik sensor disebabkan oleh penghalang potensial ini.

Gambar.2 berikut menunjukkan model penghalang potensial antar butir kristal mikro

SnO2 pada keadaan tanpa adanya gas yang dideteksi.

14

model penghalang potensial antar butir kristal mikro SnO2 pada keadaan tanpa adanya gas

yang dideteksi

Keterangan : 

eVs = nilai energi penghalang permukaan 

Gbr.2 Model penghalang antar butir pada keadaan tanpa gas yang dideteksi. 

Dalam lingkungan adanya gas pereduksi, kerapatan oksigen teradsorpsi bermuatan negatif

pada permukaan semikonduktor sensor menjadi berkurang, sehingga ketinggian penghalang

pada batas antar butir berkurang. Ketinggian penghalang yang berkurang menyebabkan

berkurangnya tahanan sensor butir dalam lingkungan gas. 

15

Model penghalang potensial antar butir dalam lingkungan gas

Hubungan antar tahanan sensor dan konsentrasi gas pereduksi pada suatu rentang konsentrasi

gas dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

Rs = A [ C] -a , dengan : 

Rs = tahanan listrik sensor 

A = konstanta 

[ C] = konsentrasi gas 

a = gradien kurva Rs 

16

2.3 Karakteristik Sensor

Pengaruh Tekanan Parsial Oksigen

Gambar berikut menunjukkan hubungan antara tekanan parsial oksigen di atmosfir (PO2)

dengan resistensi sensor gas tipe semikonduktor tertentu. Dalam udara bersih semakin tinggi

tekanan parsial gas oksigen, semakin tinggi pula resistensi sensor.

Gambar 4. Pengaruh tekanan parsial gas oksigen (PO2) pada resistensi sensor

Sensitivitas Terhadap Gas

Sesuai dengan rumus Rs = A [ C ]-a sebelumnya, hubungan resistensi sensor terhadap

konsentrasi gas adalah linier dalam bentuk logaritma, dalam rentang tertentu konsentrasi gas (

dari beberapa ppm ke beberapa ribu ppm ). Gambar.5 berikut merupakan suatu contoh

hubungan antara resistensi sensor dan konsentrasi gas. Sensor memperlihatkan kepekaan

yang berbeda-beda terhadap berbagai gas. Tingkat kepekaan relatif suatu sensor terhadap gas

juga tergantung pada jenis bahan sensor dan temperatur. Karena resistensi sensor berbeda

dari satu sensor ke sensor lain. Maka karakteristik sensitivitas sensor dinyatakan sebagai rasio

resistensi sensor dalam berbagai konsentrasi gas (Rs) dengan resistensinya dalam konsentrasi

tertentu suatu gas target (Ro).

17

Karakteristik sensitivitas sensor tertentu terhadap berbagai gas

Respons Sensor

Gambar memperlihatkan sifat tertentu ketika suatu sensor dikenakan (diekspos) terhadap

suatu gas pendeoksidasi dan ketika sensor tersebut dijauhkan dari gas pendeoksidasi.

Resistensi sensor akan menurun tajam dengan cepat ketika dikenakan pada gas, dan ketika

dijauhkan dari gas, resistensinya akan kembali ke harga semula setelah waktu yang singkat.

Kecepatan respond an kembalinya ke keadaan semula bervariasi sesuai dengan jenis sensor

dan jenis gas yang dideteksi.

18

Gambar Suatu contoh respons sensor

Aksi Awal

Seperti ditunjukkan pada gambar semua sensor memperlihatkan sifat sementara yang disebut

“ aksi awal , ketika sensor yang sebelumnya tak digunakan ataupun disimpan kemudian

digunakan / diberi energi di udara. Besarnya Rs turun seketika dengan tajam selama beberapa

detik setelah diberi energy, dalam keadaan ada atau tidak ada gas yang dideteksi, yang

selanjutnya akan mencapai tingkat yang stabil sesuai dengan keadaan atmosfer sekitarnya.

Lamanya aksi awal tergantung pada kondisi atmosfir selama penyimpanan, lamanya

penyimpanan, dan jenis sensor. 

19

                                  

                                 Contoh Aksi Awal

Pengaruh Temperatur dan Kelembaban

Prinsip pendeteksian gas dengan sensor gas tipe semikonduktor adalah proses adsorpsi dan

desorpsi gas pada permukaan sensor. Sebagai akibatnya, temperatur sekitar akan

mempengaruhi karakteristik sensitivitas sensor, karena perubahan laju adsorpsi dan desorpsi.

Contoh Pengaruh Temperatur dan Kelembaban

20

Demikian juga kelembaban akan menurunkan resistensi, karena uap air teradsorpsi pada

permukaan sensor. Gambar berikut merupakan suatu contoh pengaruh temperatur dan

kelembabab pada Rs/Ro.

Kestabilan Jangka Waktu Lama

Gambar berikut menunjukkan kestabilan sensor gas tipe semikonduktor untuk jangka waktu

yang lama. 

Contoh Kestabilan Sensor Jangka Waktu Lama

Pengaruh Tegangan Rangkaian Pemanas

Sensor gas tipe semikonduktor menunjukkan karakteristik sensitivitas optimum pada

tegangan pemanas yang konstan dan tertentu. Gambar berikut menunjukkan suatu contoh

pengaruh tegangan rangkaian pemanas pada sensitivitas sensor terhadap gas. Karena

sensitivitas sensor dipengaruhi tegangan pemanas, maka tegangan pemanas harus dipilih

sesuai dengan spesifikasi sensor.

21

Contoh pengaruh tegangan pemanas

c. Rangkaian Pengukuran Dasar

Berikut ini adalah gambar rangkaian pengukur dasar merupakan rangkaian pengukur dasar. 

Rangkaian pengukur dasar

22

Ket: 

1 dan 4 elektroda pemanas 

2 dan 3 elektroda sensor 

VH = Voltage pemanas 

Vc = Voltage Sirkit Sensor 

RL = tahanan beban 

VRL = Voltage antar kedua terminal 

tahanan beban 

Rs = tahanan semikonduktor sensor

Sensor memerlukan dua sumber tegangan, yakni tegangan pemanas (VH) dan tegangan

sirkit/rangkaian sensor (Vc). Tegangan pemanas dipakai pada pemanas terintegrasi untuk

mempertahankan elemen sensor pada suhu tertentu yang optimal. Tegangan sirkit digunakan

untuk memungkinkan pengukuran tegangan (VRL) antar kedua terminal tahanan beban (RL)

yang dihubungkan seri dengan sensor. Suatu sirkit catu daya umum dapat digunakan baik

untuk Vc maupun VH untuk memenuhi kebutuhan listrik sensor. Konsumsi daya (Ps)pada

semikonduktor dibawah 15 mW.

Besarnya konsumsi daya dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:

Ps = (Vc-VRL) 2  ..............................................................(2.1) 

Rs 

Tahanan sensor dapat dihitung dengan rumus berikut: 

Rs = Vc-VRL X RL .......................................................................... ( 2.2) 

VRL 

VRL diukur lebih dahulu. 

23

Kesimpulan

1. Sensor adalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan

lingkungan fisik atau kimia. Variabel keluaran dari sensor yang diubah menjadi

besaran listrik disebut Transduser

2. Sensor gas adalah sensor yang befungsi untuk mengukur senyawa gas polutan yang

ada di udara,seperti karbonmonoksida, hidrokarbon, nitrooksida, dan lain-lain. Sudah

semakin banyak dipasaran telah beredar pengindra ga semikonduktor.

3. Pengindra gas bekerja dengan semakin tinggi konsentrasi gas maka resistansinya

semakin rendah.

4. Banyak sekali tipe sensor gas yang digunakan dan tersedia dipasaran, seperti sensor

gas untuk mendeteksi gas LPG yaitu type TGS 2610 dan sensor gas untuk mendeteksi

asap rokok yaitu type AF 30.

5. Pada dasarnya prinsip kerja dari sensor tersebut adalah mendeteksi keberadaan gas-

gas yang dianggap mewakili asap rokok, yaitu gas Hydrogen dan Ethanol.

6. Sensitivitas tiap sensor gas bebeda – beda sehingga perbedaan ini dapat dimanfaatkan

untuk pengenalan gas.

24

SENSOR MEKANIK

3.1 PENGERTIAN

Gerak mekanis disebabkan oleh adanya gaya aksi yang dapat menimbulkan gaya

reaksi. Banyak cara yang dilakukan untuk mengetahui atau mengukur gerak mekanis,

misalnya :

- Mengukur jarak atau posisi dengan meter

- Mengukur kecepatan dengan tachometer

- Mengukur debit air dengan rotameter, dll

Pergerakan mekanis dapat dicontohkan dengan kegiatan sehari-hari yang sering

dijumpai, misalnya :

- Perpindahan suatu benda dari satu posisi ke posisi lainnya

- Kecepatan mobil di jalan raya

- Dongkrak mobil yang dapat mengangkat mobil seberat 10 ton

- Debit air pada pipa pesat

- Tinggi permukaan air dalam tangki

3.2 JENIS

a. Sensor Posisi

Pengukuran posisi dapat dilakuka dengan cara analog dan digital. Untuk ergeseran

yang tidak terlalu jauh dapat dilakukan dengan mengguakan cara-cara analog,

sedangkan untuk jarak pergeseran yang lebih panjang lebih baik digunakan cara

digital. Hasil sensor posisi dapat digunakan untuk mengukur perpindahan linier

maupun angular.

25

1. Strain Gauge

Strain gauge dalam operasinya memanfaatkan perubahan resistansi

sehingganya dapat digunakan untuk mengukur perpindahan yang sangat kecil

akibat pembengkokan (tensile stress) atau peregangan (tensile strain).

Elastisitas (ε) strain gauge adalah perbandingan perubahan panjang (ΔL) terhadap

panjang semula (L).

26

Dimana

perubahan panjang (ΔL)

panjang semula (L)

Elastisitas merupakan perbandingan perubahan resistansi (ΔR) terhadap resistansi semula (R)

sama dengan faktor gauge (Gf) dikali elastisitas starin gauge (ε) :

Faktor gauge (Gf) merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari Strain Gauge.

metal incompressible Gf = 2

piezoresistif Gf =30

piezoresistif sensor digunakan pada IC sensor tekanan

Susunan Strain Gauge

Secara konstruksi Strain Gauge terbuat dari bahan metal tipis (foil) yang diletakkan

diatas kertas. Untuk proses pendeteksian Strain Gauge ditempelkan dengan benda uji dengan

dua cara yaitu:

Arah perapatan/peregangan dibuat sepanjang mungkin (axial)

Arah tegak lurus perapatan/peregangan dibuat sependek mungkin (lateral)

Rangkaian Strain Gauge

Disusun dalam rangkaian jembatan

Dua strain gauge digunakan berdekatan, satu untuk peregangan/perapatan , satu untuk

kompensasi temperatur pada posisi yang tidak terpengaruh peregangan/ perapatan

Respons frekuensi ditentukan masa tempat strain gauge ditempatkan

27

Contohnya

2. Sensor induktif dan Elektromagnet

Sensor induktif memanfaatkan perubahan induktansi. Sebagai akibat pergerakan

inti feromagnetik dalam koil. Akibat bahan feromagnetik yang mendekat.

28

3. Linier Variable Differential Transformer (LVDT)

Transformator ini terdiri dari satu kumparan primer dan dua kumparan sekunder.

Kumparan sekunder mempunyai jumlah gulungan yang sama tetapi mereka

dihubungkan seri secara berlawanan sehingga gaya gerak listrik (ggl) yang

(a) Inti bergeser datar (b) Inti I bergser berputar, (c) Rangkaian variable induktansi

29

diindusi didalam kumparan sekunder tersebut saling berlawanan. Posisi dari inti

dapat bergerak menentukan hubungan fluksi antara kumparan primer yang

tereksitasi oleh AC dan masing-masing dari kedua kumparan sekunder.

Kontruksi dasar dari sebuah transformator selisih yang berubah secara linier :

4. Transduser Kapasitif

Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua plat paralel, setiap

variasi dalam menyebabkan variasi pada kapasitansi. Prinsip ini diterapkan pada

transuser kapasitif. Kapasitansi dari sebuah kapasitor plat paralel diberikan oleh

G= (farad)

Dimana :

A = luas masing-masing plat , dalam m2

d = Jarak kedua pelat , dalam m

ϵp = 9,85 x 10-12 dalam F/m

k = Konstanta dielektrik

30

cara kerjannya :

- Gaya diberikan pada diagfragma yang berfungsi sebagai salah satu plat

kapasitor, mengubah jarak antara diagfragma dengan plat yang diam

- Perubahan kapasitansi yag dihasilkan ini dapat diukur dengan jembatan AC

atau sebuah rangkaian osilator

- Tranduser sebagai bagian dari rangkaian osilator menyebabkan perubahan

frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini merupakan ukuran dari besarnya

gaya yang dipasang.

5. Transduser Induktif

Dalam transduser induktif pengukuran gaya dilakukan dengan mengubah

perbandingan induktansi dari seapasang kumparan dengan mungubah induktansi

kumparan tunggal. Dalam masing-masing hal, jangkar feromagnetik yang

digerakkan atau digesr oleh gaya yang akan diukur mengubah reluktansi

rangkaian magnetik. Perubahan induktansi yang dihasilkan merupakan ukuran

bagi besarnya daya yang diberikan.

6. Transduser Perpindahan Digital Optis

31

7. Transduser Piezoelectric

8. Potensiometer

Transduser potensiometrik adalah sebuah alat elektromekanik yang mengandung

elemen tahanan yang dihubungkan oleh sebuah kontak geser yang dapat bergerak.

Gerakan kontak geser menghasilkan suatu perubahan tahanan yang biasa linier,

logaritmis, eksponensial dan sebagainya, bergantung pada cara dalam mana kawat

tahanan tersebut digulung.

32

b. Sensor Kecepatan (Speed Sensor)

Suatu alat / sensor yang dapat mendeteksi adanya perubahan nilai suatu besaran pada

tiap satuan waktu. Sensor kecepatan adalah sensor yang memberikan informasi

kepada ECM tentang posisi dan perubahan kecepatan sebuah komponen.

Secara umum jenis-jenis cara pengukuran kecepatan terbagi menjadi dua cara, yaitu

cara angular dan cara translasi. Yang dimaksud dengan pengukuran angular adalah

pengukuran kecepatan rotasi atau berputar, sedangkan pengukuran kecepatan translasi

adalah kecepatan gerak lurus beraturan dan kecepatan gerak lurus tidak beraturan.

Proses penginderaan sensor kecepatan merupakan proses kebalikan dari suatu motor,

dimana suatu poros/object yang berputar pada suatui generator akan menghasilkan

suatu tegangan yang sebanding dengan kecepatan putaran object. Kecepatan putar

sering pula diukur dengan menggunakan sensor yang mengindera pulsa magnetis

(induksi) yang timbul saat medan magnetis terjadi. Lalu tegangan ini di kirim ke

ECM.

33

Sensor kecepatan pada kendaraan :

- Sensor posisi camshaft (juga disebut G sensor)

Dengan mengetahui posisi camshaft, ECM dapat menentukan kapan silinder no.1

berada di langkah kompresi. ECM menggunakan informasi ini untuktimming

bahan bakar injeksi, untuk sistem pengapian dan untuk sistem variabel valve

timing.

Sinyal AC yang dihasilkan berbanding lurus dengan kecepatan camshaft, camshaft

berputar lebih cepat makafrekuensi juga meningkat.”semakin cepat rotor rotor

bergerak/berputar maka semakin cepat pulsa yang dihasilkan”

- Sensor posisi poros engkol (juga disebut TL sensor)

- Sensor kecepatan kendaraan

Jenis sensor ini terdiri dari magnet permanen, kuk dan koil. Sensor ini dipasang

dekat dengan gigi bergigi. Setiap gigi bergerak pulsa tegangan AC diinduksi di

koil. Dimana apabila gigi berputar lebih cepat, maka pulsa yang dihasilkan lebih

banyak. ECM menentukan kecepatan komponen yang berputar berdasarkan

jumlah pulsa.

34

1. Tacho Generator

Tacho generator merupakan sensor yang sering digunakan untuk kecepatan

angular. Tacho generator adalah sebuah generator kecil yang membangkitkan

tgangan DC yang langsung dapat menghasilkan informasi kecepatan ataupun

tegangan AC. Dari segi eksitasi tacho generator dapat dibangkitkan dengan

eksitasi dari luar atau imbas elektromagnetik dari magnet permanen.

Tacho generator DC :

Kelebihan tacho generator dimana sensitivitas tacho generator DC cukup baik

terutama pada kecepatan tinggi, memiliki kutub-kutub magnit yang banyak

sehigga dapat menghasilkan tegangan DC dengan riak gelombang yang

berfrekuensi tinggi sehingga mudah diratakan dan diperolehnya informasi arah

putaran.

Kekurangan dari tacho generator DC adalah sikat komutator mudah habis, jika

digunakan pada daerah bertemperatur tinggi, maka magnet permanen mengalami

35

kelelahan sehingga tacho generator sering di kalibrasi dan tacho generator sangat

peka terhadap debu dan korosi

Tacho generator AC :

Tacho generator AC berupa generator singkron, magnet permanent diletakkan

dibagian tengah yang berfungsi sebagai rotor. Sedangkan statornya berbentuk

kumparan besi lunak. Ketika rotor berputar dihasilkan tegangan induksi di bagian

statornya. Tipe lain dari tacho generator AC adalah tipe induksi, rotor dibuat

bergerigi, stator berupa gulungan kawat berinti besi. Medan magnet permanent

dipasang bersamaan di stator. Ketika rotor berputar, terjadi perubahan medan

magnet pada gigi yang kemudian mengimbas ke gulungan stator.

Kelebihan utama dari tacho generator AC adalah relatif tahan terhadap korosi dan

debu dan adapun kelemahannya adalah tidak memberikan informasi arah gerak.

36

Aplikasi Speed sensor pada anti-lock break system (ABS)

berfungsi untuk memperoleh informasi tentang kecepatan masing-masing roda,

informasi ini diperlukan agar sistem dapat mengetahui roda mana yang sedang akan

terkunci. Speed sensor ini dapat terpasang terpasang pada setiap roda, atau ada juga

yang dipasang pada diferensial.masing-masing roda agar menghindari roda terkunci.

c. Sensor Tekanan (Pressure Sensor)

Sensor Tekanan adalah sensor untuk mengukur tekanan suatu zat. Tekanan (p) adalah

satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A). Satuan tekanan sering

digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas

Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu. Semakin

tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan isi yang sama, maka suhu akan semakin

tinggi. Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih

rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi.

37

Prinsip kerja :

Mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Ukuran tegangan didasarkan pada

prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang.

Cara Kerja :

Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti kumparan

sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada kumparan. Kumparan

yang digunakan adalah kumparan CT (center tap), dengan demikian apabila inti

mengalami pergeseran maka induktansi pada salah satu kumparan bertambah

sementara induktansi pada kumparan yang lain berkurang. Kemudian pengubah sinyal

berfungsi untuk mengubah induktansi magnetik yang timbul pada kumparan menjadi

tegangan yang sebanding.

Pada grafik: semakin tinggi tekanan udara maka semakin tinggi pula tegangan keluar.

Contohnya:

38

1. apabila tekanan udara 20 kpa maka tegangan keluarnya 1,2 volt.

2. apabila tekanan udara 60 kpa maka tegangan keluarnya 2,4 volt.

Prinsip fisis pengideraan yang di gunakan sebagai dasar kerja Sensor Tekanan :

Pada saat udara masuk kedalam intake manifold pressure, maka silicon akan menekan

ke atas, berbentuk setengah lingkaran dan menandakan tekanan tinggi.

Dan setelah tekanan tidak ada, maka silicon akan kembali seperti semula datar dan

tekanan yang terjadi lambat.

Dari tekanan angin tersebut, akan diteruskan oleh sensor.

Jenis – jenis sensor tekanan :

• Bourdon Tubes

Sejenis pipa pendek lengkung , dan salah satu ujungnya tertutup. Jika bourdon

tubes diberikan tekanan maka ia akan cenderung untuk “menegang”. Perubahan

yang dihasilkan sebanding dengan besarnya tekanan yang diberikan.

39

• Bellows

• Semiconductor Pressure Sensors

40

3.3 APLIKASI

Sensor tekanan dapat diaplikasikan pada:

—  Motor bensin

—  Pesawat terbang

—  Pengukur tekanan ban

—  Pengukur tinggi suatu cairan

—  ketinggian, pesawat terbang, roket, satelit, balon udara dll