SENSOR OPTIK - elektro.teknik.unja.ac.idelektro.teknik.unja.ac.id/wp-content/uploads/2017/08/DPL.15-Sistem...•Membedakan incandecent, atomic, and sumber cahaya laser berdasarkan

SENSOR OPTIK

Anisa Ulya Darajat, S.T, M.T.

Tujuan Pembelajaran

• Menjelaskan Radiasi EM dalam hal frekuensi, panjang gelombang, kecepatan propagasi, dan spektrum

• Mendefisinikan energi dari Radiasi EM dalam hal Daya, Intensitas, dan efek divergensi

• Membandingkan tipe-tipe photo detector seperti photoconductive, photovoltaic, dan photoemissive

• Menjelaskan prinsip dan struktur radiasi total dan pyrometer optik

• Membedakan incandecent, atomic, and sumber cahaya laser berdasarkan karakteristik cahayanya

• Mendesain penerapan teknik optik untuk penerapan pengukuran pada pengaturan proses

TUTUPHOMECREDIT

OPTICAL SOURCES APPLICATIONPYROMETRY

INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

INTRODUCTION [1]

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

INTRODUCTION [2]

Sensor Optik

Indikator

Indikator akan menyala jika sensor optik mendapatkan cukup cahaya tampak

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Video Pengenalan Radiasi EM

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Frekuensi dan Panjang Gelombang

• Radiasi EM adalah suatu energi yang selalu bergerak melintasi ruang

• Frekuensi merepresentasikan osilasi per detik ketika energi berpindah dari satu titik ke titik yang lain

• Panjang gelombang adalah jarak spasial antara dua successive maxima and minima dari gelombang dalam arah lintasan

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Kecepatan Radiasi

• Kecepatan Radiasic = λ.f

c = kecepatan radiasi di ruang hampa = 2.998 X 108

m/sλ = panjang gelombang (m)f = frekuensi (Hz)

• Ketika melintasi ruang bukan hampa, maka kecepatan radiasi akan berubah mengikuti nilai indeks refraksi

n =𝑐

𝑣n = indeks refraksiv = kecepatan radiasi dalam ruang bukan hampa

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Spektrum Radiasi EM

• Pada gambar disamping, sebuah gelombang dengan frekuensi 10 GHz juga berarti memiliki panjang gelombang 30 mm

• Satuan lain yang biasa digunakan adalah Angstrom Ӑyang mewakil10-10 m

• Dua gelombang yang peling sering dimanfaatkan adalah cahaya tampak (400-760 nm) dan infra merah (0,76 μm – 100 μm)

• Selanjutnya jika ada penyebutan cahaya, maka yang dimaksud adalah gelombang cahaya tampak dan infra merah

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Karakteristik Cahaya

• Radiasi EM terpancarkan secara diskrit, sejumlah unit energi yang dipancarkan dalam satu frekuensi tertentu biasa disebut foton

• Jumlah energi yang terkandung dalam foton dirumuskan :

Wp = h.f =ℎ.𝑐

λWp = Energi Foton (Joule)h = konstanta planck = 6.63 X 10-34 Jf = frekuensi (Hz)λ = panjang gelombang (m)

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Energi

• Dalam dunia praktis, perhitungan energi tidak lagi dilihat bahwa radiasi EM bersifat diskrit, melainkan lebih dilihat sebagai sekumpulan energi yang terkandung pada rentang tertentu

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Daya Radiasi EM

• Karena radiasi adalah energi yang bergerak, maka deskripsi yang lebih tepat adalah energi setiap detik yang dibawa oleh foton.Biasa dinyatakan dalam Watt (Joule/sekon). 10 W berarti energi sebesar 10 Joule yang dikeluarkan dalam satu detik

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Intensitas Radiasi EM

• Dalam dunia praktis, penjabaran energi yang lebih jelas lagi adalah intensitas, yakni jumlah daya yang dipancarkan pada satu area tertentu. Dirumuskan sebagai berikut :

I =𝑃

𝐴I = Intensitas (W/m2)P = Daya (Watt)A = luasan permukaan (m2)

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Intensitas vs Divergensi

• Divergensi adalah perubahan intensitas ketika radiasi berpindah pada suatu garis lurus dari satu titik ke titik lainnya.

• Persebaran radiasi akan membuat nilai intensitas menurun sejalan dengan jauhnya jarak yang ditempuh berbanding lurus dengan sudut perpindahan (θ).

• Nilai intensitas pada setiap area dengan jarak R adalah :

I =𝑃

4πR2

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Photometry

• Untuk dapat melihat, mata manusia membutuhkan paling tidak sejumlah 1 W/m2

intensitas cahaya dan spektrum gelombang yang memadai (gelombang cahaya tampak).Jadi semisal ada suatu cahaya infra merah dengan intensitas sejumlah 1 W/m2 maka cahaya ini tetap tidak akan dapat dilihat

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Photodetector

• Sensor yang bekerja pada area gelombang Infra merah, cahaya tampak, sampai sedikit ultraviolet biasa disebut sebagai photodetector

• Macam-macam photodetector memperhatikan karakteristik photodetector :• photoconductive / photoresistive :

intensitas konduktivitas semikonduktor resistansi• Photovoltaic

Intensitas cahaya perubahan elektron voltage• Photodiode

Intensitas cahaya arus reserve• Phototransistor

Intensitas cahaya arus reserve pada kaki basis• Photo emissive

Intensitas cahaya perubahan elektron pada katoda tegangan katoda - anoda

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Video PhotoConductive

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

PhotoConductive

• Prinsip Kerja :intensitas cahaya konduktivitas semikonduktor resistansi

• Ketika sebuah semikondukor PhotoConductive menerima photon, maka elektron valensi akan berpindah pada pita konduksi yang berakibat menurunkan nilai resistansi semikonduktor. Sehingga dapat dikatakan bahwa nilai resistansi berbanding terbalik dengan intensitas cahaya yang masuk pada PhotoConductive. Untuk dapat melakukan eksitasi, sebuah photon harus memiliki minimal energi yang setara dengan gap energi pada semikonduktor tersebut. Dirumuskan :

Ec =ℎ.𝑐

λ𝑚𝑎𝑥

= ΔWg

• dari rumusan ini, mengakibatkan suatu semikonduktor hanya akan bekerja pada rentang Radiasi EM tertentu

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Struktur Cell PhotoConductive

• Untuk menghindari nilai tahanan yang terlalu tinggi, seperti dirumuskan :

R =ρ. 𝑙

𝐴R = nilai resistansiρ = resistivitasl = panjang cellA = luasan permukaan cell

• Dapat digunakan struktur seperti pada gambar disamping

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Karakteristik Cell PhotoConductive

• Nilai resistansi ternyata bersifat tidak linier terhadap nilai intensitas cahaya. Sehingga tidak semua semikonduktor cocok menjadi pilihan dalam implementasi di lapangan.

• Tabel dibawah ini adalah beberapa tipe semikonduktor yang sering digunakan di lapangan berikut dengan nilai karakteristiknya

• CdS dan CdSe lebih sering digunakan dilapangan karena tidak seperti PbS dan PbSe memiliki efek termal yang kurang baik

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Video Photovoltaic

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Photovoltaic

• Photovoltaic secara fisik berupa kumpulan dioda-pn, umumnya bagian atas adalah layer positif dan bagian bawah adalah layer negatif

• Cara kerjanya :photon menabrak layer positif dan diserap oleh elektron pada layer negatif. Hal ini akan menyebabkan adanya elektron bebas sehingga dengan menambahkan bahan konduktif dibawah layer negatif maka akan dihasilkan tegangan.

• Tegangan yang dihasilkan :Vc = V0. ln (1+IR)

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Karakteristik Cell Photovoltaic

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Video Photodiode

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Photodiode

• Terbuat dari bahan yang sama dengan photovoltaic, berupa dioda pn junction

• Cara kerja :perubahan intensitas cahaya akan menyebabkan perubahan besaran arus reserve

• Photodiode memiliki keunggulan response time yang sangat cepat (nano sekon) dan secara fisik sangat kecil sehingga sering ditambahkan casing untuk memfokuskan cahaya pada pn junction

• Umumnya bekerja pada area inframerah walaupun masih dapat bekerja pada cahaya tampak

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Phototransistor

• Merupakan pengembangan photodiode dengan arus dimasukkan pada collector-base junction untuk menghasilkan arus yang diamplifikasi pada collector-emitter junction

• Tidak secepat photodiode namun masih bisa dikatakan memiliki response time sangat cepat (dalam mili sekon)

• Perbedaan intensitas cahaya akan menyebabkan perubahan arus kolektor yang dapat dijadikan sebagai dasar sebuah sensor

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Photoemissive

• Dikembangkan sejak lama dan merupakan salah satu detektor paling sensitif

• Secara fisik terdiri dari sebuah tabung kaca yang didalamnya ada katoda yang dilapisi dengan photoemissive, dan anoda yang digroundkan pada sebuah kabel

• Prinsip kerjanya :cahaya menyinari katoda menyebabkan perbedaan elektron dan menghasilkan tegangan

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Photoemissive Ganda

• Sebuah tabung yang terdiri dari katoda dengan tegangan negatif yang relatif tinggi, beberapa dinoda dengan tingkat tegangan yang berbeda-beda dimana semakin menuju anoda semakin negatif.

• Hal ini menimbulkan perpindahan elektron yang lebih banyak dari satu dinoda ke dinoda berikutnya sehingga tegangan yang dihasilkan lebih tinggi dan photoemissive lebih sensitif

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Pyrometry

• Pyrometry merupakan sebuah metode untuk pengukuran temperatur

• Metode yang digunakan yaitu menggunakan radiasi EM yang dipancarkanoleh objek yang akan diukur temperaturnya

• sedangkan alat pengukur temperatur disebut Pyrometer

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Pyrometer

• Merupakan sebuah alat non-kontak yang mampumengukur temperatur sebuah objek dimana emisipuncak radiasi berada pada bagian merah darispectrum cahaya tampak

• Mampu mengukur radiasi panas dalam jangkauantemperatur yang luas

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Radiasi Thermal [1]

• radiasi EM dihasilkan oleh percepatan muatan listrik

• penambahan energi thermal pada suatu objek akan menghasilkan gerak getar dari molekul objek

• objek dengan energi thermal tertentu mengemisikan radiasi EM oleh karena pergerakan muatan

Radiasi Thermal [2]

Infrared

UV

Radiasi Total

𝐸 𝛼 𝑇4

E = emisi radiasi dalam J/s per unit area atau 𝑊/𝑚2

T = temperatur (K) dari objek

Radiasi Benda Hitam

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Klasifikasi Pyrometer

Pyrometer

Broadband Pyrometers

Narrowband Pyrometers

Broadband Pyrometers [1]

• Standar jangkauan sekitar 32 to 1832°F (0 to 1000°C)

• Akurasi ±5°𝐶 sampai ± 0,5°𝐶

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


A sailor checking the

temperature of a

ventilation system

Infrared Pyrometer

Rentang spektrum infra red dari 0.22µm sampai 17µm dan

biasanya yang digunakan dalam rentang 2 sampai 7µm.

Biasanya dapat digenggam, berbentuk seperti pistol yang

diarahkan ke sebuah objek kemudian temperatur dari

objek tersebut dapat diukur.

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


Aplikasi IR pyrometer

• Steel industries

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


Aplikasi IR pyrometer

• Glass industries

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Narrowband Pyrometers [1]

• Bergantung pada variasi dalam emisi energi radiasi monochromatic dengantemperatur.

• Biasa di sebut juga optical pyrometer

• Jangkauan 500K – 3000K

• Akurasi ±5𝐾 dan ±10𝐾

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Sumber Optik

SumberOptik

Sumber CahayaKonvensional

Sumber CahayaLampu Pijar

Sumber CahayaAtomic

LASER

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Sumber Cahaya Konvensional [1]

• Sumber Cahaya Lampu Pijar

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


• Sumber Cahaya Atom

Aplikasi :

- Red Neon ‘sign’

- Fluorescent lamp

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


- Red Neon ‘Sign’

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


- Video pembuatan Red Neon ‘Sign’

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6


- Fluorescent lamp

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

LASER [1]

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

LASER [2]

• Tabel Karakteristik LASER

TUTUPHOMECREDIT


INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 41 5 6

Penerapan

• Proses Pemeriksaan Label

Aplikasi

• Pengukuran Turbidity

Pengukuran Jarak

• Pengukuran Jarak

Jarak dapat diukur dengan mengukur waktu memancarnya light pulse yang tersebar dari sebuah objek yang jauh.

𝐷 =𝑐𝑇

2D = jarak ke objek (m)

c = kecepatan cahaya (m/s)

T = waktu untuk light round trip (s)

SEKIANTerima Kasih

Documents

SENSOR OPTIK - elektro.teknik.unja.ac.idelektro.teknik.unja.ac.id/wp-content/uploads/2017/08/DPL.15-Sistem...•Membedakan incandecent, atomic, and sumber cahaya laser berdasarkan