21
TUTORIAL 1 Sensor dan Transduser oleh Aef Agus Sapari 211341011 TEKNIK OTOMASI MANUFAKTUR DAN MEKATRONIKA

Tutorial 1 sensor dan tranduser

Embed Size (px)

DESCRIPTION

sensor dan tranduser

Citation preview

TUTORIAL 1Sensor dan Transduser

olehAef Agus Sapari211341011

TEKNIK OTOMASI MANUFAKTUR DAN MEKATRONIKAPOLITEKNIK MANUFAKTUR NEGERI BANDUNG20141. Pengertian Transduser dan SensorTransduser(Inggris:transducer) adalah sebuah alat yang mengubah satu bentuk daya menjadi bentuk daya lainnya untuk berbagai tujuan termasuk pengubahan ukuran atau informasi (misalnya,sensor tekanan). Transduser bisa berupa peralatanlistrik,elektronik,elektromekanik,elektromagnetik,fotonik, ataufotovoltaik. Dalam pengertian yang lebih luas, transduser kadang-kadang juga didefinisikan sebagai suatu peralatan yang mengubah suatu bentuk sinyal menjadi bentuk sinyal lainnya.Contoh yang umum adalah pengeras suara (audio speaker), yang mengubah beragam voltase listrik yang berupa musik atau pidato, menjadi vibrasi mekanis. Contoh lain adalahmikrofon, yang mengubah suara kita, bunyi, atau energi akustik menjadi sinyal atau energi listrik.Suatu definisai mengatakan transducer adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh energi di dalam sebuah sitem transmisi, menyalusrkan energi dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua. Transmisi kedua ini bisa listrik, mekanik, kimia, optik (radiasi) atau termal (panas).Sebagai contoh, definisi transducer yang luas ini mencakup alat-alat yang mengubah gaya atau perpindahan mekanis menjadi sinyal listrik. Alat-alat ini membentuk kelompok transducer yang sangat besar dan sangat penting yang lazim ditemukan dalam instrumentasi industri; dan ahli instrumentasi terutama berurusan dengan jenis pengubahan energi ini. Banyak parameter fisis lainnya (seperti panas, intensitas cahaya, kelembaban) juga dapt diubah menjadi energi listrik dengan menggunakan transducer. Transducer-transducer ini memberikan sebuah sinyal keluaran bila diransang oleh sebuah masukan yang bukan mekanis; sebuah transmistor bereaksi terhadap variasi temperatur; sebuah fotosel bereaksi terhadap perubahan intensitas cahaya; sebuah berkas elektron terhadap efek-efek maknetik, dan lain-lain. Namun dalam semua hal, keluaran elektris yang diukur menurut metoda standar memberikan besarnya besaran masukan dalam bentuk ukuran elektris analog.Transducer dapat dikelompokan berdasakan pemakaiannya, metoda pengubahan energi, sifat dasar sinyal keluaran dan lain-lain. Tabel dibawah menunjukan suatu pengelompokan transducer berdasarkan prinsip listrik yang tersangkut. Bagian pertama tabel tersebut memberi daftar transducer yang memberikan daya luar. Ini adalah transducer pasif, yang memberi tambahan dalam sebuah parameter listrik seperti halnya tahanan, kapasitansi dan lain-lain yang dapat diukur sebagai suatu perubahan tegangan atau kuat arus. Kategori berikutnya adalah transducer jenis pembangkit sendiri, yang menghasilkan suatu tegangan atau arus analog bila dirangsang dengan suatu bentuk fisis energi. Transducer pembangkit sendiri tidak memerlukan daya dari luar.Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur suatu besaran fisis berupa variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia dengan diubah menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroller sebagai otaknya.Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan sistem yang akan disensor maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor berikut ini : (D Sharon, dkk, 1982)a. LinearitasAda banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan (response) terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah grafik. Gambar 1.1 memperlihatkan hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. Garis lurus pada gambar 1.1(a). memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada gambar 1.1(b). adalah tanggapan non-linier.

Gambar 1.1. Keluaran dari transduser panas (D Sharon dkk, 1982),b. SensitivitasSensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan satu volt per derajat, yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan dua volt per derajat, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. Linieritas sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran keseluruhan. Sensor dengan tanggapan paga gambar 1.1(b) akan lebih peka pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.

c. Tanggapan Waktu (time response)Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadapperubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan frekuensi yang jelekadalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah temperatur dan keluarannya

Dalam kaitannya dengan sistem elektronis, Sensor dan transduser pada dasarnya dapat dipandang sebagai sebuah perangkat atau device yang berfungsi mengubah suatu besaranb fisik menjadi besaran listrik, sehingga keluarannya dapat diolah dengan rangkaian listrik atau sistem digital (lihat Gambar 1.2). Dewasa ini, hampir seluruh peralatan modern memiliki sensor di dalamnya.

Gambar 1.2. Blok fungsional Sensor/Transduser

Terkait dengan perkembangan teknologi yang begitu luar biasa, pada saat ini, banyak sensor telah dipabrikasi dengan ukuran sangat kecil hingga orde nanometer sehingga menjadikan sensor sangat mudah digunakan dan dihemat energinya. Gambar 1.3 berikut memperlihatkan salah satu contoh sensor MEMS Gyroscope dalam ukuran satuan mm.

Gambar 1.3. MEMS Gyroscope

Berdasarkan variabel yang diindranya, sensor dikatagorikan kedalam dua jenis : sensor Fisika dan sensor Kimia. Sensor Fisika merupakan jenis sensor yang mendeteksi suatu besaran berdasarkan hukum-hukum fisika, yaitu seperti sensor cahaya, suara, gaya, kecepatan, percepatan, maupun sensor suhu. Sedangkan jenis sensor kimia merupakan sensor yang mendeteksi jumlah suatu zar kimia dengan jalan mengubah besaran kimia menjadi besaran listrik dimana di dalamnya dilibatkan beberapa reaksi kimia.2. Jenis-jenis sensorBerikut adalah beberapa jenis sensor yang dapat dijumpai di lapangan2.1. Sensor proximitySensor proximity merupakan sensor atau saklar yang dapat mendeteksi adanya target jenis logam dengan tanpa adanya kontak fisik. Biasanya sensor ini tediri dari alat elektronis solid-state yang terbungkus rapat untuk melindungi dari pengaruh getaran, cairan, kimiawi, dan korosif yang berlebihan. Sensor proximity dapat diaplikasikan pada kondisi penginderaan pada objek yang dianggap terlalu kecil atau lunak untuk menggerakkan suatu mekanis saklar.2.2 Sensor MagnetSensor Magnet atau disebut juga relai buluh, adalah alat yang akan terpengaruh medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran. Seperti layaknya saklar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya medan magnet di sekitarnya. Biasanya sensor ini dikemas dalam bentuk kemasan yang hampa dan bebas dari debu, kelembapan, asap ataupun uap.2.3. Sensor SinarSensor sinar terdiri dari 3 kategori. Fotovoltaic atau sel solar adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya akan menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan. Demikian pula dengan Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan (resistansi) pada sel-selnya, semakin tinggi intensitas cahaya yang terima, maka akan semakin kecil pula nilai tahanannya. Sedangkan Fotolistrik adalah sensor yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan karena perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser) ataupun target pemantulnya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya dan penerima.2.4. Sensor UltrasonikSensor ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor ini menghasilkan g lombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindera diantaranya adalah: objek padat, cair, butiran maupun tekstil.2.5. Sensor TekananSensor tekanan - sensor ini memiliki transduser yang mengukur ketegangan kawat, dimana mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dasar penginderaannya pada perubahan tahanan pengantar (transduser) yang berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya.

Strain gage adalah sebuah contoh transduser pasif yang mengubah pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan. Sensitivitas sebuah strain gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang disebut factor gage (factor gage), K, yang didefinisikan sebagai perubahan satuan tahanan dibagi dengan perubahan satuan panjang.

2.6. Sensor Kecepatan (RPM)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.2.7. Sensor Penyandi (Encoder)Sensor Penyandi (Encoder) digunakan untuk mengubah gerakan linear atau putaran menjadi sinyal digital, dimana sensor putaran memonitor gerakan putar dari suatu alat. Sensor ini biasanya terdiri dari 2 lapis jenis penyandi, yaitu; Pertama, Penyandi rotari tambahan (yang mentransmisikan jumlah tertentu dari pulsa untuk masing-masing putaran) yang akan membangkitkan gelombang kotak pada objek yang diputar. Kedua, Penyandi absolut (yang memperlengkapi kode binary tertentu untuk masing-masing posisi sudut) mempunyai cara kerja sang sama dengan perkecualian, lebih banyak atau lebih rapat pulsa gelombang kotak yang dihasilkan sehingga membentuk suatu pengkodean dalam susunan tertentu.

2.8. Sensor SuhuTerdapat 4 jenis utama sensor suhu yang umum digunakan, yaitu thermocouple (T/C)- lihat gambar 1.5, resistance temperature detector (RTD), termistor dan IC sensor. Thermocouple pada intinya terdiri dari sepasang transduser panas dan dingin yang disambungkan dan dilebur bersama, dimana terdapat perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding. Resistance Temperature Detector (RTD) memiliki prinsip dasar pada tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dengan tingkat konsisten/kestabilan yang tinggi pada pendeteksian tahanan. Platina adalah bahan yang sering digunakan karena memiliki tahanan suhu, kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas. Termistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif, karena saat suhu meningkat maka tahanan menurun atau sebaliknya. Jenis ini sangat peka dengan perubahan tahan 5% per C sehingga mampu mendeteksi perubahan suhu yang kecil. Sedangkan IC Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian terpadu yang menggunakan chipsilikon untuk kelemahan penginderanya. Mempunyai konfigurasi output tegangan dan arus yang sangat linear.

Gambar 1.5. Karakteristik Beberapa Jenis Thermocouple

Jenis Sensor dan TransduserPerkembangan sensor dan transduser sangat cepat sesuai kemajuan teknologi otomasi, semakin komplek suatu sistem otomasi dibangun maka semakin banyak jenis sensor yang digunakan.Robotik adalah sebagai contoh penerapan sistem otomasi yang kompleks, disini sensor yang digunakan dapat dikatagorikan menjadi dua jenis sensor yaitu: (D Sharon, dkk, 1982)a. Internal sensor, yaitu sensor yang dipasang di dalam bodi robot.Sensor internal diperlukan untuk mengamati posisi, kecepatan, dan akselerasi berbagai sambungan mekanik pada robot, dan merupakan bagian dari mekanisme servo.b. External sensor, yaitu sensor yang dipasang diluar bodi robot.Sensor eksternal diperlukan karena dua macam alasan yaitu:1) Untuk keamanan dan2) Untuk penuntun.Yang dimaksud untuk keamanan adalah termasuk keamanan robot, yaitu perlindungan terhadap robot dari kerusakan yang ditimbulkannya sendiri, serta keamanan untuk peralatan, komponen, dan orang-orang dilingkungan dimana robot tersebut digunakan. Berikut ini adalah dua contoh sederhana untuk mengilustrasikan kasus diatas.Contoh pertama: andaikan sebuah robot bergerak keposisinya yang baru dan ia menemui suatu halangan, yang dapat berupa mesin lain misalnya. Apabila robot tidak memiliki sensor yang mampu mendeteksi halangan tersebut, baik sebelum atau setelah terjadi kontak, maka akibatnya akan terjadi kerusakan.Contoh kedua: sensor untuk keamanan diilustrasikan dengan problem robot dalam mengambil sebuah telur. Apabila pada robot dipasang pencengkram mekanik (gripper), maka sensor harus dapat mengukur seberapa besar tenaga yang tepat untuk mengambil telor tersebut. Tenaga yang terlalu besar akan menyebabkan pecahnya telur, sedangkan apabila terlalu kecil telur akan jatuh terlepas.Kini bagaimana dengan sensor untuk penuntun atau pemandu?. Katogori ini sangatlah luas, tetapi contoh berikut akan memberikan pertimbangan.Contoh pertama: komponen yang terletak diatas ban berjalan tiba di depan robot yang diprogram untuk menyemprotnya. Apa yang akan terjadi bila sebuah komponen hilang atau dalam posisi yang salah?. Robot tentunya harus memiliki sensor yang dapat mendeteksi ada tidaknya komponen, karena bila tidak ia akan menyemprot tempat yang kosong. Meskipun tidak terjadi kerusakan, tetapi hal ini bukanlah sesuatu yang diharapkan terjadi pada suatu pabrik.Contoh kedua: sensor untuk penuntun diharapkan cukup canggih dalam pengelasan. Untuk melakukan operasi dengan baik, robot haruslah menggerakkan tangkai las

Klasifikasi SensorSecara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokanmenjadi 3 bagian yaitu:a. sensor thermal (panas)b. sensor mekanisc. sensor optik (cahaya)Klasifikasi Transduser (William D.C, 1993)Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contohnya; bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo dioda, photo multiplier, photovoltaik, infrared pyrometer, hygrometer, dsb.Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dsb.Contoh; strain gage, linear variable deferential transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dsb.Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan.Contoh; photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo multiplier, pyrometer optic, dsb.a. Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri)Self generating transduser adalah transduser yang hanya memerlukan satu sumber energi.Contoh: piezo electric, termocouple, photovoltatic, termistor, dsb.Ciri transduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik dari transduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan.b. External power transduser (transduser daya dari luar)External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah energi dariluar untuk menghasilkan suatu keluaran.Contoh: RTD (resistance thermal detector), Starin gauge, LVDT (linier variable differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb.

Tabel berikut menyajikan prinsip kerja serta pemakaian transduser berdasarkan sifatkelistrikannya.Parameter listrikdan kelas transduserPrinsip kerja dan sifat alatPemakaian alat

Transduser Pasif

PotensiometerPerubahan nilai tahanan karenaposisi kontak bergeserTekanan,pergeseran/posisi

Strain gagePerubahan nilai tahanan akibatperubahan panjang kawat olehtekanan dari luarGaya, torsi, posisi

Transformatorselisih (LVDT)Tegangan selisih dua kumparan primer akibat pergeseran inti trafoTekanan, gaya,pergeseran

Gage arus pusarPerubahan induktansi kumparan akibat perubahan jarak platPergeseran, ketebalan

Transduser Aktif

Sel fotoemisifEmisi elektron akibat radiasiyang masuk pada permukaanfotemisifCahaya dan radiasi

PhotomultiplierEmisi elektron sekunder akibatradiasi yang masuk ke katodasensitif cahayaCahaya, radiasi dan relay sensitif cahaya

TermokopelPembangkitan ggl pada titiksambung dua logam yangberbeda akibat dipanasiTemperatur, aliran panas, radiasi

Generatorkumparan putar(tachogenerator)Perputaran sebuah kumparan di dalam medan magnit yangmembangkitkan teganganKecepatan, getaran

PiezoelektrikPembangkitan ggl bahan Kristal piezo akibat gaya dari luarSuara, getaran,percepatan, tekanan

Sel foto teganganTerbangkitnya tegangan padasel foto akibat rangsanganenergi dari luarCahaya matahari

Termometertahanan (RTD)Perubahan nilai tahanan kawatakibat perubahan temperaturTemperatur, panas

HygrometerTahananTahanan sebuah strip konduktif berubah terhadap kandungan uap airKelembaban relatif

Termistor (NTC)Penurunan nilai tahanan logamakibat kenaikan temperaturTemperatur

Mikropon kapasitorTekanan suara mengubah nilaikapasitansi dua buah platSuara, musik, derau

PengukuranreluktansiReluktansi rangkaian magnetikdiubah dengan mengubah posisi inti besi sebuah kumparanTekanan, pergeseran,getaran, posisi