Abstrak

Sejak ditemukannya efek piezoelektrik pada material Polyvinylidene Fluoride

(PVDF) film, aplikasi material ini sebagai sensor maupun aktuator terus

berkembang. Paper ini merupakan aplikasi material piezoelektrik jenis film PVDF

sebagai sensor impact, yaitu sensor yang berfungsi untuk mengukur beban impact

benturan benda yang mengenai sensor tersebut. Salah satu aplikasi sensor ini

digunakan untuk mengetahui respon benturan pada proses mating pada pengujian

bangunan lepas pantai. Dalam disain sensor tersebut lembaran material

Piezoelektrik PVDF film sebagai sensing elemen dibentuk melingkar sesuai dengan

dimensi permukaan struktur yang diukur. PVDF film tersebut dilapisi dengan

material karet dan metal. Ketika sensor ini dikenai beban impact, maka element

PVDF film mengeluarkan tegangan listrik yang proporsional dengan beban impact

yang mengenainya, tegangan output ini diperkuat oleh rangkaian pengondisi sinyal

yang selanjutnya direkam oleh sistem data akuisisi menggunakan program LabView.

Untuk mengetahui karakteristik sensor dilakukan proses kalibrasi sensor tersebut

baik secara statis maupun dinamis dengan menggunakan loadcell transducer

sebagai referensi. Sensor PVDF film ini dapat juga diaplikasikan pada dunia

kedokteran untuk mendeteksi tekanan nadi manusia.

PENDAHULUAN

Salah satu tahapan pengujian bangunan lepas pantai adalah pengukuran beban

impact atau pengujian ketahanan materi terhadap suatu getaran bawah permukaan

antara struktur yang saling berhubungan. Untuk maksud tersebut dibutuhkan

sensor mekanis yang diharapkan bisa mengukur beban impact. Sensor mekanis

berbasis strain gauge saat ini merupakan sensor mekanis yang paling popular

untuk pengukuran beban impact yang relatif besar. Akan tetapi pada beberapa

kasus, seperti halnya pengujian bangunan lepas pantai ini, sensor mekanis dengan

menggunakan strain gauge mengalami beberapa kendala baik dari segi dimensi,

berat dan fleksibilitasnya.

Untuk tujuan pengujian tersebut maka dirancang sensor lain berbasis material

piezoelectrik. Salah satu material piezoelectrik yang dipakai untuk sensor ini

adalah polyvinylidene fluoride (PVDF) film. Berdasarkan sifat sifat material

tersebut maka sensor mekanis berbasis material Piezoelectrik PVDF film ini

sangat baik digunakan untuk pengukuran beban-beban dinamis (Taufiq AS, et al,

2005) sehingga desain sensor jenis ini sangat baik untuk pengukuran beban

impact pada proses pengujian bangunan kelautan.

Untuk menentukan karakteristik dari sensor piezoelectrik PVDF film

tersebut, maka perlu dilakukan proses kalibrasi sensor. Karena sensor

piezoelectrik PVDF film ini bersifat kapasitif dengan impedansi output yang

tinggi maka diperlukan sebuah rangkaian Charge amplifier sebagai rangkaian

pengkondisi sinyal. Pada proses kalibrasi sensor tersebut menggunakan NI_USB

DAQ 6008 dan program LABVIEW 2009 sebagai sistem data akuisisinya.

Sedangkan beban yang diukur dibandingkan juga dengan sensor mekanis lainnya

yaitu loadcell transducer sebagai alat ukur referensi.

BAHAN PIEZOELEKTRIK

Sejak ditemukannya efek-efek piezoelektrik pada bahan PVDF Film oleh Kawai

(Kawai H., 1969), material ini telah banyak digunakan dalam bermacam-macam

aplikasi, khususnya sebagai sensor dan aktuator (Boleslaw et al, 2001). Suatu bahan

piezoelektrik dapat mengubah deformasi mekanik menjadi medan listrik yang setara

dan sebaliknya dapat mengubah medan listrik yang dikenakan padanya menjadi

deformasi mekanik yang setara (Gautschi, G., 2002). PVDF film mempunyai

beberapa sifat yang menguntungkan, di antaranya adalah: fleksibel, ringan, mampu

bekerja pada pita frekuensi yang sangat lebar, dan juga tersedia dalam berbagai

bentuk ketebalan dan luasan. Di samping itu, film PVDF dapat ditempelkan secara

langsung pada material lain (misalnya karet, baja) dengan menggunakan bahan

perekat, tanpa mengakibatkan kerusakan pada material maupun PVDF filmnya.

Apabila PVDF film terdeformasi secara mekanik, maka partikel penyusunnya

menjadi terpolarisasi sehingga menimbulkan konsentrasi muatan listrik pada masing-

masing permukaannya. Besarnya konsentrasi muatan listrik yang terbentuk ini dapat

dinyatakan dalam dua mode persamaan, yaitu charge mode dan voltage mode (Ehag,

1999).

Untuk charge mode berlaku:

Q=d31σiA (i = 1,2, atau 3) (1)

Dimana ;

Q : muatan listrik yang dihasilkan

σi : tekanan mekanik pada arah yang relevan

d31 : konstata piezoelektric (PVDF Film)

A : area aktif dari PVDF film

Sedangkan untuk voltage mode berlaku:

Vo = g31σit (2)

Dimana :

Vo : tegangan open loop

σi : tekanan mekanik pada arah yang relevan

g31 : konstata piezoelektric (film PVDF)

t : tebal film PVDF

Gambar dibawah ini menunjukkan sumbu-sumbu elemen piezoelektrik dan cara

melekatkan elemen film PVDF pada sebuah struktur.

Gambar 1 : PVDF dan klasifikasi sumbu yang bersesuaian

Karakteristik Bahan Piezoelektrik

Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yangterpolarisasi sehingga beberapa

bagian molekulbermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative

membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan

menghasilkan medan listrik material yang dapatberubah 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

Kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi.

Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).

Prinsip Kerja sensor piezoelektrik

Sensor ini memiliki cara kerja yang sebanding dengan inputnya atau sebanding

dengan seberapa besar sensor ini terdeformasi, cara kerja sensor ini dapat di lihat

pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.7 Cara Kerja Sensor Piezoelektrik

Semakin besar tekanan atau deformasi yang diterima sensor tersebut, dapat

menghasilkan output tegangan yang berubah-ubah, namun sayangnya output

sensor ini sangat kecil sehingga sulit untuk dibaca apabila ingin kita jadikan input

ke suatu sistem tertentu.

DESAIN SISTEM

A. Desain Mekanis Sistem Sensor

Desain mekanis sistem sensor ini untuk mengukur beban benturan antara bagian

struktur atas dengan struktur bawahnya bangunan lepas pantai dengan berbagai

kondisi pengujian. Sensing element dari sensor ini terbuat dari material

piezoelectric yaitu PVDF (polivinilydene fluoride) film dengan komposisi

material lainnya yaitu sejenis karet dan metal. PVDF film sebagai sensing

element dibentuk melingkar dengan diameter 50 mm sesuai dengan dimensi

permukaan struktur yang diukur. Untuk mengirimkan signal listrik dari gaya

yang terukur dari permukaan film ke alat ukurnya, maka dibuat terminal yang

berasal dari metal tape dengan lem conductor yang disambung dengan kabel

dengan proses solder. Gambar desain mekanis sistem sensor ditunjukkan pada

Gambar 2 di bawah ini.

Gambar 2 : Desain sensor impact PVDF Film

B. Rangkaian Pengondisi Sinyal

Output dari sensor PVDF film adalah muatan listrik yang nilainya dalam orde

pico coulomb. Nilai output terlalu kecil untuk umumnya piranti ukur seperti

voltmeter atau osciloskop, Sehingga diperlukan suatu pengondisi sinyal yang

berfungsi sebagai penguat tegangan pengukuran. Pada penelitian ini

menggunakan charge mode amplifier dengan salah satu pertimbangan bahwa

pada mode ini panjangnya kabel konduktor tidak akan berpengaruh pada sinyal

output. Desain lengkap rangkaian pengkondisi sinyal diberikan pada gambar 3.

Rangkaian terdiri atas dua unit yaitu differential charge amplifier dan differential

Amplifier (Zheng Chen et al, 2007). Differential charge amplifier sebagai

pengubah besaran muatan listrik menjadi tegangan listrik setara, sedangkan

differential amplifier sebagai rangkaian penguat tegangan listrik.

Gambar 3 : Rangkaian Pengondisi Sinyal

C. Diagram pengukuran

Diagram Blok system pengukuran sensor PVDF tersebut dapat dilihat pada

gambar 4.

Gambar 4 : Blok Diagram Sistem Pengukuran

KALIBRASI SENSOR

Kalibrasi dari impact sensor ini dibutuhkan untuk mengetahui sensitifitas, linearitas,

Hysterisis dan Repeatabilitas sensor terhadap beban yang diberikan, untuk

mengetahui karakteristik sensor tersebut maka dilakukan kalibrasi sensor. Kalibrasi

sensor impact PVDF Film ini dilakukan dengan dua cara, yaitu secara statis dan

secara dinamis. Pada metode statis sensor impact diberikan beban statis dari beban

nol sampai 25 Kg. Dari setiap pembebanan outputnya diukur dan direkam dengan

komputer dan diambil nilai output maksimum pada setiap pembebanan. Hasil grafik

antara input Vs. Output dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5 : Grafik Hasil kalibrasi impact sensor

Metode kalibrasi kedua adalah dengan memberikan beban impact secara dinamis

terhadap sensor dengan variasi beban yang beragam. Gambar 6 menunjukkan

pengaturan kalibrasi impact sensor. Untuk mengetahui besar beban impact yang

diberikan terhadap sensor, diperlukan alat ukur beban lainnya sebagai referensi beban

yaitu load cell. Impact sensor diletakkkan di atas load cell dan dilekatkan secara kuat.

Untuk membuat permukaan bawah dan atas sensor menjadi benar benar datar, maka

kedua permukaan atas dan bawah dipasang plat datar.

Gambar 6 : Set-Up Kalibrasi sensor

Sebelum dilakukan kalibrasi sensor Impact PVDF film maka load cell transducer

sebagai sensor referensi terlebih dahulu harus dikalibrasi secara status dengan

memberikan beban status pada sensor tersebut dan data output sensor diukur dan

direkam dengan sistem data akuisisi selama 5 detik dengan frekuensi sampling 50

Hz. Hasil pengukuran yang diperoleh diolah dengan menggunakan analisa regresi

sehingga didapatkan grafik Input Vs. Output seperti pada gambar 7

Gambar 7 : Grafik Hasil kalibrasi Load Cell

Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa load cell mempunyai linearitas yang cukup

baik dengan sensitivitas sensor 58 mV/Kg. Hasil kalibrasi dinamis ini dapat dilihat

Pada gambar 8, dimana semakin besar beban impact yang diberikan dengan cara

memberikan pukulan di atas sensor yang dilekatkan pada load cell, maka semakin

besar pula keluaran signal baik signal load cell maupun signal dari sensor. Sedangkan

output dari sensor impact dapat dilihat pada gambar 9.

Gambar 8 : output Load cell dengan beban semakin besar

Gambar 9: output sensor impact dengan beban semakin besar

Gambar 10 menunjukkan salah satu keluaran dari satu pukulan yang diambil dari

rangkaian keluaran signal . Dari gambar tersebut secara jelas ditunjukkan bahwa ada

kesamaan dan kesebandingan antara keluaran dari impact sensor dengan load cell.

Gambar 10 : Perbandingan output Load cell & Impact Sensor

Karakteristik lainnya adalah linearitas antara besar beban impact yang diberikan

dengan keluaran sensor. Gambar 11 menunjukkan hubungan antara besarnya

keluaran sensor impact dengan besar beban impact yang diberikan. Dari gambar

tersebut terlihat bahwa keluaran sensor impact linear sampai beban luar yang

diberikan sekitar 200 Kg.

Gambar 11 : Korelasi output Loadcell & Impact Sensor

PEMBAHASAN

Untuk mengetahui karakteristik dan performa dari sensor PVDF film yang telah

dibuat, disamping dilakukan kalibrasi secara statis dan dinamis untuk mengetahui

hubungan gaya luar dengan keluaran sensor, dilakukan 2 jenis uji performa. Uji yang

pertama untuk mengetahui kinerja dari sistem sensor yang telah dibuat dengan respon

pembebanan yang berulang. Pengujian dilakukan dengan memberikan beban yang

yang sama, yaitu 1500 gram, beban tersebut dijatuhkan tegak lurus ke permukaan

sensor secara bebas dengan ketinggian 15 Cm sebanyak 3 kali. Output dari diukur

dan direkam dengan menggunakan system data akuisisi dengan program LabView

2009. Hasil rekaman dari output sensor diperlihatkan pada gambar 12.

Gambar 12 : hasil pengujian sensor dengan pembebanan berulang

Pada grafik diatas dapat diketahui bahwa dengan pembebanan secara berulang sensor

impact mempunyai respon amplitudo yang hampir sama. Ini berarti sensor impact

tersebut mempunyai repeatibilitas yang cukup baik. Pengujian kedua dilakukan

dengan memberikan beban yang sama, yaitu 1000 gram yang dijatuhkan tegak lurus

pada dua ketinggian yang berbeda, yaitu 25 Cm dan 50 Cm. Hasil dari pengujian ini

dapat dilihat pada gambar 13.

Gambar 13 : Hasil pengujian sensor dengan variasi ketinggian

Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa semakin tinggi benda dijatuhkan maka

gaya yang terjadi juga semakin besar, hal ini dapat dilihat pada amplitudo output

sensor.

APLIKASI SENSOR PVDF FILM

Gambar 14 dibawah menunjukkan bagian kecil dari struktur bagian atas dan struktur

bagian bawah bangunan lepas pantai yang sedang diuji di Laboratorium

Hidrodinamika UPT- BPPH BPPT Surabaya.

Gambar 14 : pemasangan sensor pada struktur

Salah satu tujuan pengujian tersebut adalah untuk mengetahui respon impact bagian

atas dan bawah pada saat launching. Untuk maksud tersebut maka impact sensor di

pasang pada salah satu bagian (bagian atas) kaki struktur tersebut, sehingga

diharapkan segala beban yang terjadi yang diakibatkan oleh hubungan antara bagian

atas dan bawah baik berupa impact dengan berbagai variasi frekuensi beban impact

dan juga beban tekan dinamis yang mendekati statis juga bisa di rekam dengan baik.

Aplikasi dilapangan pada saat pengujian dapat dilihat pada gambar 15.

Gambar 15 : Aplikasi Sensor

KESIMPULAN

Dari hasil Kalibrasi dan eksperimen sistem sensor, maka dapat dikatakan bahwa

material piezoelectrik PVDF film sangat baik untuk pengukuran beban-beban

dinamis sehingga sangat cocok digunakan untuk sensor impact yang dikususkan

untuk mengetahui beban beban impact suatu bagian bangunan lepas pantai.

Dari hasil eksperimen diketahui bahwa desain sensor impact layak digunakan untuk

pengujian tersebut. Hal lain yang bisa menjamin bisa digunakannya sensor tersebut

untuk pengujian bangunan lepas pantai adalah :

Beban impact rencana yaitu sekitar 250 Kg bisa dipenuhi oleh desain sensor

ini.

Adanya kesamaan dan kesebandingan antara keluaran impact sensor dengan

load cell sebagai referensi alat ukur.

Demensi sensor dengan diameter 50 mm adalah sesuai dengan kebutuhan

pengujian.

Aplikasi lain dari sensor impact PVDF Film dengan modifikasi desain mekanis

sensor bisa digunakan untuk pengukuran tekanan yang sangat kecil, bahkan bisa

digunakan untuk mendeteksi denyut nadi manusia

DAFTAR PUSTAKA

Taufiq Arif Setyanto, et al. (2005), Piezoelectric pad sensor for dynamic load

measurement, Bulletin of the graduate school of engineering, Hiroshima

University, Vol. 54, No. 1

Kawai, H. (1969). The piezoelectricity of Poly (vinylidene Fluoride). J. Appl. Phys. 8

Japan, pp 975-976.

Boleslaw, M., Tomasz J., Jacek C., (2001), Assesment of vehicle weight measurement

method using PVDF transducers, Journal of Electrostatics, 51(52): 76-81.

Gautschi, G. (2002). Piezoelectric sensoric. Germany : Springer

Ehag. (1999). Piezofilm sensor technical manual. Measurement Specialist Inc., USA.