modul sensor dan tranduser
advertisement
2012 MODUL SENSOR DAN TRANDUSER Modul ini menjelaskan tentang sensor dan tranduser, lengkap dengan cara menggunakan modul, test formatif serta disajikan dengan begitu mudah simple dan dengan bahasa yang mudah untuk dipelajari oleh orang yang belum faham mengenai sensor dan tranduser. 0 Dr. Drs. Jaja Kustija,M.Sc Dosen dan Peneliti bidang Elektro 8/13/2012 KATA PENGANTAR Modul ini dapat digunakan oleh mahasiswa teknik elektro dan pembaca secara umum, tetapi secara khusus modul ini diperuntukan untuk calon guru teknologi dan kejuruan, karena didalamnya memuat kompetensi untuk sekolah menengah kejuruan dan pendalamannya untuk calon sarjana teknik elektro. Modul ini belum memuat secara lengkap tentang materi sensor dan tranduser, tetapi hanya sebagiannya saja, dan hal ini baru berupa model hipotetik yang akan dikembangkan secara lebih lanjut menggunakan research and development. Segala masukan yang bersifat membangun, akan jadi pertimbangan pengembangan modul selanjutnya. i DAFTAR ISI Halaman DAFTAR ISI ........................................................................................................................................................ ii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................................................... iv DAFTAR TABEL ............................................................................................................................................... vi PERISTILAHAN /GLOSSARY .......................................................................................................................vii 1 PENDAHULUAN ............................................................................................................................................... 1 2 A. DESKRIPSI JUDUL ................................................................................................................................... 2 B. PRASYARAT .............................................................................................................................................. 2 C. PETUNJUK PENGGUNAAN MODUL .................................................................................................. 2 D. TUJUAN AKHIR ........................................................................................................................................ 3 E. KOMPETENSI............................................................................................................................................ 3 PEMBELAJARAN 1 PENGERTIAN DAN IDENTIFIKASI SENSOR.................................................................................. 4 A. Tujuan Pembelajaran 1 ....................................................................................................... 4 B. Uraian materi 1 ...................................................................................................................... 4 C. Rangkuman 1 .......................................................................................................................... 9 D. Tugas 1 ...................................................................................................................................... 9 E. Tes Formatif 1...................................................................................................................... 10 F. Jawaban Tes Formatif 1 ................................................................................................... 11 G. Umpan Balik 1 ..................................................................................................................... 12 PEMBELAJARAN 2 MENJELASKAN CARA KERJA SENSOR ......................................................................................... 13 A. Tujuan Pembelajaran 2 ....................................................................................................... 13 B. Uraian materi 2 ...................................................................................................................... 13 C. Rangkuman 2 .......................................................................................................................... 36 D. Tes Formatif 2 ........................................................................................................................ 37 E. Kunci Jawaban Tesformatif 2 ........................................................................................... 37 MODUL SENSOR DAN TRANDUSER F. Umpan Balik 2 ........................................................................................................................ 38 PEMBELAJARAN 3 PENGUKURAN DAN PENYETELAN (Pengolahan Sinyal Keluaran) ................................. 39 A. Tujuan Pembelajaran 3 .................................................................................................... 39 B. Uraian materi 3 ................................................................................................................... 39 C. Rangkuman 3 ....................................................................................................................... 49 D. Tugas 3 ................................................................................................................................... 49 E. Latihan .................................................................................................................................... 49 F. Umpan Balik 3 ..................................................................................................................... 49 LEMBAR EVALUASI ..................................................................................................................................... 50 PENUTUP ...................................................................................................................................................... 53 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................................................... 54 MODUL SENSOR DAN TRANDUSER III DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Masukan dan Keluaran Transduser ................................................................................... 4 Gambar 2. Kapasitor Tabung sebagai Sensor ....................................................................................... 7 Gambar 3. Induktor Kumparan Dobel (William D.C, 1993) ............................................................ 8 Gambar 4. Keluaran dari transduser panas (D Sharon dkk, 1982), ......................................... 14 Gambar 5. Grafik tanggapan waktu dari berbagai transduser.................................................... 15 Gambar 6. Rangkaian Dasar Termokopel ........................................................................................... 16 Gambar 7. Beda potensial pada Termokopel..................................................................................... 17 Gambar 8. Tegangan Keluaran Termokopel ...................................................................................... 18 Gambar 9. Konstruksi ................................................................................................................................. 18 Gambar 10. Resistansi versus Temperatur untuk variasi RTD metal ...................................... 20 Gambar 11. Jenis RTD: (a) Wire (b) Ceramic Tube (c) Thin Film ............................................. 20 Gambar 12. Konfigurasi Thermistor: (a) coated-bead (b) disk (c) dioda case dan (d) thin-film .................................................................................................................................... 21 Gambar 14. Rangkaian uji termistor sebagai pembagi tegangan .............................................. 22 Gambar 15. Termistor jenis PTC: (a) linier (b) switching ........................................................... 22 Gambar 16. Pengubah Resistansi Menjadi Tegangan Listrik ...................................................... 23 Gambar 17. Grafik temperature terhadap .......................................................................................... 24 Gambar 18. Sensor Suhu dengan IC ...................................................................................................... 24 Gambar 19. (a) Konstruksi (b) Rangkaian Uji ................................................................................... 26 Gambar 20. Kurva Karakteristik ............................................................................................................. 26 Gambar 21. Pembangkitan tegangan pada Foto volatik................................................................ 27 Gambar 22. (a) & (b) Karakteristik Intensitas vs Arus dan Tegangan dan (c) Rangakain penguat tegangan. .................................................................................... 28 Gambar 23. Cahaya pada sel fotovoltaik menghasilkan tegangan ............................................ 28 Gambar 24. Sifat fotodioda ....................................................................................................................... 29 Gambar 27. Simbol fotosel ........................................................................................................................ 30 Gambar 28. Grafik resistansi fotosel terjadap intensitas cahaya............................................... 31 Gambar 30. Penggunaan Sensor Tekan pada Pengukur Regangan Kawat............................. 32 Gambar 31. Contoh Penggunaan Sensor Tekanan ........................................................................... 33 MODUL SENSOR DAN TRANDUSER IV Gambar 32. Sensor posisi kapasitif: (a) pergeseran media mendatar, (b) pergeseran berputar, (c) pergeseran jarak plat ................................................................................ 33 Gambar 33. Pemakaian sensor posisi pada rangkaian elektronik: ........................................... 34 kapasitansi menjadi frekuensi, (b) kapasitansi menjadi pulsa .................................................. 34 Gambar 34. Induktor Kumparan Dobel (William D.C, 1993) ...................................................... 35 Gambar 35. Sensor Perpindahan ............................................................................................................ 35 Gambar 36. Jembatan Wheatstone ........................................................................................................ 38 Gambar 37. Rangkaian Pengukuran Panas menggunakakn Termokopel .............................. 41 Gambar 38. Rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi ............................................... 42 Gambar 39. Suatu penguat instrumentasi .......................................................................................... 43 Gambar 40. Rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp ......................................... 43 Gambar 41. Penguat difrensial dengan menggunakan common mode. .................................. 44 Gambar 42. Bagian I rangkaian pada gambar 30. ........................................................................... 45 Gambar 43. Rangkaian Potensiometer ................................................................................................. 47 MODUL SENSOR DAN TRANDUSER V DAFTAR TABEL Tabel 1. Kelompok Transduser (William D.C, 1993) ......................................................................... 6 Tabel 2. Klasifikasi Sensor Suhu beserta karakteristik, kelemahan, dan kekuatannya .... 25 MODUL SENSOR DAN TRANDUSER VI PERISTILAHAN /GLOSSARY Istilah Pengertian Transduser Suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi keenergi yang lain Transduser pasif Transduser yang dapat bekerja bila mendapat energi tambahan dari luar Transduser aktif (Self Generating Type) Transduser yang menhasilkan suatu tegangan atau arus analog bila dirangasang dengan bentuk fisis energy yang diubahnya dan tidak memerlukan daya dari luar Sensor Jenis transduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik Thermocouple Jenis tranduser aktif yang dapat mengubah besaran panas menjadi tegangan listrik dengan memanfaatkan efek Seebeck RTD Resistant Temperature Detector Termistor Thermally Sensitive Resistor adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien negatif terhadap temperature Foto Listrik Transduser yang mengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik Fotovoltaic atau Sel Solar Transduser yang terbuat dari semi konduktor yang dapat mengubah Strain Gage Transduser yang mengubah besaran tekanan menjadi perubahan intensitas cahaya menjadi tegangan listrik tahanan listrik, tekanan yang diberikan pada bahan mengakibatkan perubahan panjang sehingga menyebabkan perubahan tahanan listrik MODUL SENSOR DAN TRANDUSER VII PENDAHULUAN A. DESKRIPSI JUDUL SENSOR DAN TRANSDUSER merupakan modul yang memiliki ruang lingkup meliputi berbagai komponen sensor dan komponen transduser serta penjelasan prinsip kerjanya dan contoh-contoh bentuk dari sensor dan transduser. Pada modul ini memuat standar kompetensi untuk siswa SMK dan diperdalam untuk dapat dipergunakan oleh para mahasiswa calon guru Teknologi dan Kejuruan (FPTK Program Studi Pendidikan Teknik Elektro). Cetakan berwarna hitam digunakan untuk kompetensi SMK dan calon guru, sedangkan pengembangannya untuk dicetak berwarna biru. Setelah mempelajari modul ini saudara diharapkan dapat mengetahui, mengaplikasikan dan mempergunakan berbagai macam sensor dan transduser dengan baik. B. PRASYARAT Untuk mempelajari modul SENSOR DAN TRANSDUSER memerlukan kemampuan awal yang harus dimiliki antara lain: 1. Telah mengetahui dan menguasai komponen elektronika. 2. Telah mengetahui dan menguasai alat ukur elektronik. 3. Telah memahami gambar rangkaian elektronika. 4. Telah mengenal berbagai alat ukur seperti multimeter, dan mengoperasikan osciloscope. C. PETUNJUK PENGGUNAAN MODUL 1. Petunjuk bagi Peserta Langkah-langkah dalam mempelajari modul ini : a. Bacalah modul dengan seksama sampai selesai satu pembahasan (kegiatan belajar). b. Kerjakan soal-soal yang ada dalam lembar latihan setiap kegiatan belajar. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 1 c. Bandingkan jawaban anda dengan kunci jawaban yang tersedia, jika jawaban anda belum seluruhnya benar maka pelajari ulang modul tersebut, dan jika jawabannya sudah benar anda dapat melanjutkan kegiatan belajar pada modul berikutnya. d. Untuk kegitan praktikum lakukanlah hal – hal sebagai berikut: 1) Persiapkan bahan dan yang periksalah kondisi akan digunakan alat dan dalam setiap kegiatan belajar! 2) Bacalah petunjuk praktikum pada setiap kegiatan belajar dengan seksama sebelum mengerjakan lembar kerja yang ada dalam modul! 3) Lakukan langkah kerja sesuai dengan urutan yang telah ditentukan! 4) Konsultasikan rangkaian yang akan diuji kepada instruktur sebelum dihubungkan ke sumber tegangan! 5) Isilah data – data hasil praktikum dan analisa sampai mendapat kesimpulan yang diperlukan. 2. Petunjuk bagi Guru a. Membantu siswa dalam merencanakan proses belajar b. Membimbing siswa melalui tugas-tugas pelatihan yang dijelaskan dalam tahap belajar c. Membantu siswa dalam memahami konsep, praktik baru, dan menjawab pertanyaan siswa mengenai proses belajar siswa d. Membantu siswa untuk menentukan dan mengakses sumber tambahan lain yang diperlukan untuk belajar e. Mengorganisasikan kegiatan belajar kelompok jika diperlukan f. Merencanakan seorang ahli/pendamping guru dari tempat kerja untuk membantu jika diperlukan. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 2 D. TUJUAN AKHIR Setelah menyelesaikan modul ini, diharapkan dapat mempergunakan sensor dan transduser sesuai dengan jenis dan fungsinya. E. KOMPETENSI Modul ini merupakan standar kompetensi menggunakan sensor yang terdiri dari empat kompetensi dasar untuk peserta siswa SMK dan lima konpetensi untuk mahasiswa Pendidikan Teknik Eelektro, yakni: 1. Mengidentifikasi tranduser / sensor (untuk SMK dan PTE) 2. Menjelaskan cara kerja tranduser / sensor (untuk SMK dan PTE) 3. Melakukan penyetelan tranduser / sensor (untuk SMK dan PTE) 4. Mendemonstrasikan fungsi tranduser / sensor (untuk SMK dan PTE) 5. Menganalisa dan memanfaatkan tranduser / sensor (untuk PTE) Materi Pokok Pembelajaran Kompetensi / Subkompetensi B.1.5. Menguasai Jenis-Jenis Sensor dan Transduser Kriteria Unjuk Kerja Lingkup Belajar Sensor dan transduser dapat dipergunakan sesuai jenis dan fungsinya Pengetahuan sensor dan transduser Sikap Pengetahuan Sensor dan transduser Ketrampilan 1. Pengujian sensor suhu, cahaya, optik, mekanik, tekanan 2. Pengujian transduser MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 3 PEMBELAJARAN 1 PENGERTIAN DAN IDENTIFIKASI SENSOR A. Tujuan Pembelajaran 1 Setelah membaca modul ini saudara diharapkan: 1. Dapat menyebutkan pengertian sensor 2. Dapat mengklasifikasi jenis - jenis sensor dan penggunaannya B. Uraian materi 1 1. Pengertian dan Identifikasi Transduser dan Sensor Transduser dapat didefinisikan sebagai suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi ke bentuk energi yang lain. Bagian masukan dari transduser disebut “sensor”, karena bagian ini dapat mengindera suatu kuantitas fisik tertentu dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lain. TRANSDUSE PANAS ARUS LISTRIK BEDA POTENSIAL OPTIK SENSOR KIMIA PERUBAHAN TAHANAN PERUBAHAN KAPASITANSI DLL DLL Gambar 1. Masukan dan Keluaran Transduser 2. Klasifikasi Sensor Transduser dapat dikelompokkan berdasarkan beberapa hal antara lain: a. Pemakaiannya / penggunaannya b. Motode Pengubahan energi c. Sifat – sifat dasar dari sinyal keluaran Semua pengelompokkan ini biasanya memperlihatkan daerah yang saling melengkapi, sangat sulit untuk membedakan secara tajam klasifikasi berdasarkan hal di atas. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 4 a. Klasifikasi Sensor Berdasarkan pemakaian atau penggunaannya Berdasarkan pemakaian atau penggunaannya, sensor dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian, antara lain: 1. Sensor Thermal (suhu) DHT11 adalah modul sensor suhu dan kelembaban udara relatif dalam satu paket. Modul ini memerlukan konsumsi daya yang rendah sehingga cocok digunakan untuk aplikasi data logger dengan catu daya batere. Modul ini memiliki stabilitas yang dijamin dalam jangka waktu yang lama serta output yang terkalibrasi, sehingga cocok digunakan sebagai sensor untuk data logger suhu dan kelembaban udara 2. Sensor Mekanis 3. Sensor Optik (cahaya) Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas / suhu / temperatur pada suatu dimensi benda padat, cair atau gas. Contohnya seperti thermocouple, RTD, thermistor, bimetal, IC sensor LM35. Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis seperti perpindahan atau pergeseran, posisi gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level, dan sebagainya. Contoh sraingage, LVDT (Linear Variabel Diferensial Transformer), proksimiti, potensiometer, Loadcel, Bourdon Tube, Piezo Elektrik dan sebagainya. Sensor optik atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya, ataupun bias cahaya yang mengenai benda atau ruangan.Contoh Fotodioda, LDR, Fotofoltaic, Cell Foto Emisive, Foto Multypier, Foto Transistor. b. Klasifikasi Sensor Berdasarkan Metoda Pengubahan Energinya Berdasarkan metoda pengubahan energinya, transduser dan sensor dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis (William D.C, 1993), yakni: 1. Jenis transduser jenis pembangkit sendiri (Self Generating Type) yang menghasilkan tegangan atau arus analog bila dirangsang dengan suatu bentuk fisis energi, transduser jenis ini tidak memerlukan daya dari luar untuk mendapatkan atus atau tegangan analog tersebut. Contoh Thermocouple, Fotofoltaic. 2. Transduser yang memerlukan daya dari luar untuk mendapatkan tegangan dan arus keluaran disebut transduser pasif. Contoh thermistor, RTD, LVDT, straingage. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 5 Tabel berikut menyajikan prinsip kerja serta pemakaian transduser dan metoda pengubahan energinya Tabel 1. Kelompok Transduser (William D.C, 1993) Parameter listrik dan kelas transduser Prinsip kerja dan sifat alat Pemakaian alat Transduser Pasif Potensiometer Perubahan nilai tahanan karena posisi kontak bergeser Strain gage Perubahan nilai tahanan akibat perubahan panjang kawat oleh tekanan dari luar Transformator Tegangan selisih dua kumparan primer selisih (LVDT) akibat pergeseran inti trafo Gage arus pusar Perubahan induktansi kumparan akibat perubahan jarak plat Transduser Aktif Sel fotoemisif Emisi elektron akibat radiasi yang masuk pada permukaan fotemisif Photomultiplier Emisi elektron sekunder akibat radiasi yang masuk ke katoda sensitif cahaya Termokopel Pembangkitan ggl pada titik sambung dua logam yang berbeda akibat dipanasi Generator Perputaran sebuah kumparan di dalam kumparan putar medan magnit yang membangkitkan (tachogenerator) tegangan Piezoelektrik Pembangkitan ggl bahan kristal piezo akibat gaya dari luar Sel foto tegangan Terbangkitnya tegangan pada sel foto akibat rangsangan energi dari luar Termometer Perubahan nilai tahanan kawat akibat tahanan (RTD) perubahan temperature Hygrometer Tahanan sebuah strip konduktif berubah tahanan terhadap kandungan uap air Termistor (NTC) Penurunan nilai tahanan logam akibat kenaikan temperature Mikropon Tekanan suara mengubah nilai kapasitansi kapasitor dua buah plat Pengukuran reluktansi Tekanan, pergeseran/posisi Gaya, torsi, posisi Tekanan, gaya, pergeseran Pergeseran, ketebalan Cahaya dan radiasi Cahaya, radiasi dan relay sensitif cahaya Temperatur, aliran panas, radiasi Kecepatan, getaran Suara, getaran, percepatan, tekanan Cahaya matahari Temperatur, panas Kelembaban relatif Temperatur Suara, musik,derau Reluktansi rangkaian magnetik diubah Tekanan, pergeseran, dengan mengubah posisi inti besi sebuah getaran, posisi kumparan MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 6 c. Klasifikasi Sensor Berdasarkan Sifat – Sifat Dasar Keluaran Berdasarkan sifat – sifat dasar keluaran transduser dan sensor dapat diklasifikasikan menjadi lima jenis, yakni: 1. Perubahan resistansi Besaran-besaran yang diindera manghasilkan perubahan resistansi pada keluarannya, contohnya: a. RTD (Resistance Thermal Detector). Prinsip kerja dari RTD ini adalah mengubah besaran temperature menjadi perubahan tahanan listrik b. Strain gage. Prinsip kerja dari Strain gage ini adalah mengubah besaran tekanan menjadi perubahan tahanan Resistance Temperature Detectors listrik c. Thermistor. Prinsip kerja dari Thermistor ini adalah Operating on the principle that resistance of any given metal changes with temperature, Thermo Electric RTD's are the sensors of choice in applications where accuracy, stability and repeatability are critical. To maximize linearity and temperature ranges, Thermo Electric specializes in the use of high-purity platinum elements. In addition, a special high temperature platinum RTD'S delivers high stability and durability at 650°C (1202°F). Thermo Electric RTD's are available in diverse configurations with two-,threeand fourwire construction ranging from -200°C to 650°C (-328°F to 1202°F). Tolerances meet the standards of ASTM E1137 Grade A or B and IEC 751 Class A or B. depending on your needs mengubah besaran temperature menjadi perubahan tahanan listrik 2. Perubahan Kapasitansi Besaran-besaran yang diindera manghasilkan perubahan kapasitansi pada keluarannya, contohnya adalah Transduser yang digunakan untuk mendeteksi perubahan kelembaban relatif. Prinsip kerja dari transduser ini berdasar pada perubahan kelembaban akan mengakibatkan perubahan konstanta dielektrik medium dan perbahan konstanta dielektrik medium akan mengakibatkan perubahan kapasitansi. C 2 0 Ke.L R ln 2 R1 (PTE ) Persamaan (1.1) Gambar 2. Kapasitor Tabung sebagai Sensor MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 7 Dari persamaan di atas dapat dianalisasebagai berikut, sebuah kapasitor harga kapasitansinya dipengaruhi oleh medium yakni suatu medium akan mempengaruhi harga konstanta dielektrik (Ke) salah satu kondisi fisis yang dapat mempengaruhi keadaan medium adalah kelembaban relatif, kelembaban relatif tersebut akanmempengaruhi konstanta dielektrik dan pada akhirnya akan mempengaruhi kapasitansi dari sebuah kapasitor yang dirancang khusus kontak dengan medium, dengan demikian transduser kapasitor dapat mendeteksi kelembaban medium disekitarnya. (untuk PTE) 3. Perubahan Induktansi Besaran-besaran yang diindera manghasilkan perubahan induktansi pada keluarannya, contohnya adalah Transduser yang digunakan untuk mendeteksi perubahan gaya. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubah induktansi dari sepasang kumparan atau dengan mengubah induktansi kumparan tunggal. Dengan mengubah jangkar feromagnetik yang digeser oleh gaya yang akan diukur, dengan mengubah fermeabilitas medium. = ...(1.2) Gambar 3. Induktor Kumparan Dobel (William D.C, 1993) Dari persamaan dan gambar di atas sebuah induktor dapat digunakan untuk mendeteksi pergeseran benda, benda yang digeser – geser akan mempengaruhi konstanta permeabilitas dari induktor tersebut, menggeser benda sama artinya dengan mengubah sehingga harga induktansi akan berubah (untuk PTE). 4. Menghasilkan Arus Listrik Besaran-besaran yang diindera manghasilkan perubahan arus pada keluarannya, contohnya Fotolistrik. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubah intensitas listrik menjadi arus listrik. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 8 Carbon Dioxide CO2 Sensor Excellent performance CO2 Sensor, for use in a wide range of applications, including air quality monitoring, smoke alarms, mine and tunnel warning systems, greenhouses, etc. The sensor is easy to use and can be easily incorporated in a small portable unit. 5. Menghasilkan Tegangan Listrik Besaran-besaran yang diindera manghasilkan perubahan tegangan pada keluarannya, contohnya: a. Thermokopel. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubah temperatur menjadi tegangan listrik. b. Tacho Generator. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubah kecepatan putaran menjadi tegangan listrik. C. Rangkuman 1 Transduser dapat didefinisikan sebagai suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi ke bentuk energi yang lain. 1. Transduser dapat dikelompokkan berdasarkan beberapa hal antara lain: pemakaiannya / penggunaannya, motode pengubahan energi, dan sifat – sifat dasar dari sinyal keluaran 2. Berdasarkan pemakaian atau penggunaannya, sensor dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian, antara lain: sensor thermal (suhu), sensor mekanis, dan sensor optik (cahaya) 3. Berdasarkan metoda pengubahan energinya, transduser dan sensor dapat diklasifikasikan menjadi dua yakni transduser jenis pembangkit sendiri (Self Generating Type) dan transduser yang memerlukan daya dari luar (transduser pasif). 4. Berdasarkan sifat – sifat dasar keluaran transduser dan sensor dapat diklasifikasikan menjadi lima jenis, yakni: perubahan resistansi, perubahan kapasitansi, perubahan induktansi, menghasilkan arus listrik, dan menghasilkan tegangan listrik. D. Tugas 1 Cari spesifikasi dan cara kerja berbagai transduser yang ada dipasaran beserta gambar transduser! MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 9 E. Tes Formatif 1 a. Pilihan Ganda (Untuk SMK dan PTE) Pilihlah jawaban yang paling tepat dari soal-soal pilihan ganda di bawah ini ! 1. Apa yang dimaksud dengan sensor? a. Sensor adalah suatu alat yang dapat mengubah arus menjadi tegangan b. Sensor adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu bentuk energi menjadi bentuk energi yang lain c. Sensor adalah suatu alat yang dapat mengubah tahanan menjadi tegangan listrik d. Sensor adalah suatu alat yang dapat mengubah energy mekanik menjadi listrik 2. Sensor yang dapat mengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik adalah ? a. RTD c. Strain gage b. Thermistor d. Foto Listrik 3. Sensor yang digunakan untuk mengubah besaran panas menjadi tegangan listrik adalah? a. Strain gage c. Termokopel b. LDR d. Piezoelektrik 4. Sensor yang dapat menghasilkan energi listrik sendiri adalah sebagai berikut kecuali? a. Termokopel c. Tacho generator b. Fotofoltaic d. LVDT 5. Sensor yang dapat menghasilkan perubahan resistansi akibat perubahan besaran yang diindera adalah? a. Strain gage c. Fotofoltaic b. Tacho generator d. Termokopel b. Essay 1. Apa yang dimaksud dengan transduser? (Untuk SMK dan PTE) 2. Sebutkan klasifikasi sensor berdasarkan : a. Pemakaiannya / penggunaannya b. Motode Pengubahan energi c. Sifat – sifat dasar dari sinyal keluaran (Untuk SMK dan PTE) 3. Berikan contoh-contoh dan penjelasannya dari sensor resistansi, sensor kapasitansi, sensor induktansi, sensor yang menghasilkan arus listrik, dan sensor yang menghasilkan tegangan listrik. (Untuk PTE). MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 10 F. Jawaban Tes Formatif 1 a. Pilihan Ganda 1. B 3. C 2. D 4. D 5. A b. Essay 1. Transduser dapat didefinisikan sebagai suatu peranti yang dapat mengubah suatu energi ke bentuk energi yang lain. 2. Klasifikasi sensor : a. Berdasarkan pemakaian atau penggunaannya, sensor dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian, antara lain: sensor thermal (suhu), sensor mekanis, dan sensor optik (cahaya). b. Berdasarkan metoda pengubahan energinya, transduser dan sensor dapat diklasifikasikan menjadi dua yakni transduser jenis pembangkit sendiri (Self Generating Type) dan transduser yang memerlukan daya dari luar (transduser pasif). c. Berdasarkan sifat – sifat dasar keluaran transduser dan sensor dapat diklasifikasikan menjadi lima jenis, yakni: perubahan resistansi, perubahan kapasitansi, perubahan induktansi, menghasilkan arus listrik, dan menghasilkan tegangan listrik. 3. Berikut adalah contoh-contoh sensor: a) Contoh sensor resistansi yaitu : RTD (Resistance Thermal Detector). Prinsip kerja dari RTD ini adalah mengubah besaran temperature menjadi perubahan tahanan listrik. b) Contoh sensor kapasitansi yaitu : Transduser yang digunakan untuk mendeteksi perubahan kelembaban relatif. Prinsip kerja dari transduser ini berdasar pada perubahan kelembaban akan mengakibatkan perubahan konstanta dielektrik medium dan perbahan konstanta dielektrik medium akan mengakibatkan perubahan kapasitansi. c) Contoh sensor induktansi yaitu : Transduser yang digunakan untuk mendeteksi perubahan gaya. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubah induktansi dari sepasang kumparan atau dengan mengubah induktansi kumparan tunggal. Dengan MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 11 mengubah jangkar feromagnetik yang digeser oleh gaya yang akan diukur, dengan mengubah fermeabilitas medium. d) Contoh sensor yang menghasilkan arus listrik yaitu : Fotolistrik. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubah intensitas listrik menjadi arus listrik. e) Contoh sensor yang menghasilkan tegangan listrik yaitu : Thermokopel. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubah temperatur menjadi tegangan listrik. (untuk PTE) G. Umpan Balik 1 Setelah anda menyelesaikan jawaban dari tes formatif dan membandingkan dengan kunci jawaban, jika jawaban anda sudah benar maka dapat melanjutkan ke modul berikutnya tetapi jika jawaban anda masih banyak yang salah maka dianjurkan untuk mengulang mempelajari modul ini. PIR SENSOR Kita pasti sering dengar tentang sensor. Sensor biasa digunakan untuk mendeteksi suatu benda atau berbagai kegunaan yang lain. Salah satu jenis sensor adalah PIR (Passive Infrared Receiver), sensor ini merupakan sensor berbasis infrared namun tidak sama dengan IR LED dan fototransistor. Perbedaan dengan IR LED adalah sensor PIR tidak memancarkan apapun, namun sensor ini merespon energi dari pancaran infrared pasif yang dimiliki oleh setiap benda yang terdeteksi olehnya. Salah satu benda yag memiliki pancaran infrared pasif adalah tubuh manusia. Energi panas yang dipancarkan oleh benda dengan suhu diatas nol mutlak akan dapat ditangkap oleh Sensor tersebut. Bagian-bagian dari PIR adalah Fresnel Lens, IR Filter, Pyroelectric sensor, amplifier, dan comparator MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 12 PEMBELAJARAN 2 MENJELASKAN CARA KERJA SENSOR A. Tujuan Pembelajaran 2 Setelah menbaca modul ini diharapkan : 1. Dapat menyebutkan persyaratan umum dalam memilih sensor dan transduser (untk SMK dan PTE) 2. Dapat menjelaskan cara kerja sensor sesuai dengan besaran energi yang diubah (untk SMK dan PTE) 3. Dapat menganalisis prinsip kerja sensor. (Untuk PTE) B. Uraian materi 2 1. Peryaratan Umum Sensor dan Transduser Sensor atau transduser dapat digukanan sebagai bagian dari sistem instrumentasi (Pengukuran) dan dapat pula digunakan untuk kepentingan pengendalian (kontrol). Maka 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. Linearitas Linier dalam hal ini dimaksudkan hubungan antara besaran input yang dideteksi menghasilkan besaran output dengan hubungan berbanding lurus dan dapat digambarkan secara gravik membentuk garis lurus. Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan 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 3 memperlihatkan hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. Garis lurus pada gambar 3(a). memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada gambar 3(b). adalah tanggapan non-linier. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 13 v Tegangan (keluaran) Tegangan (keluaran) v 0 Temperatur (masukan) 0 T T Temperatur (masukan) (a) Tangapan linier (b) Tangapan non linier Gambar 4. Keluaran dari transduser panas (D Sharon dkk, 1982), Pada gambar 3 a. terlihat setiap perubahan T diikuti oleh peruhahan v dan dapat dinyatakan dalam persamaan garis lurus yang kontinyu sedang pada gambar 3 b. perubahan T diikuti dengan perubahan v tetapi tidak membentuk hubungan sebagai persamaan garis lurus. b. Sensitivitas Perbandingan antara sinyal keluaran atau respon transduser terhadap perubahan masukan atau variable yang diukur. Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “volt per 0 C”, yang berarti perubahan temperature satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan beda potensial beberapa volt atau mv pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan. Apabila tanggapannya linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran keseluruhan. Sensor dengan tanggapan pada gambar 3(b) akan lebih peka pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah. Sensor, baik CCD maupun CMOS, adalah komponen utama dari sebuah kamera digital, yaitu berupa sekeping cip silikon yang tersusun atas jutaan piksel yang peka cahaya. Pada saat gambar yang datang dari lensa mengenai sensor maka tiap-tiap piksel tersebut akan menangkap energi cahaya yang datang dan merubahnya menjadi besaran sinyal tegangan. Seberapa sensitif sensor mampu menangkap cahaya inilah yang dinyatakan oleh besaran ISO. Setiap sensor memiliki nilai ISO dasar/ISO normal yaitu nilai sensitivitas terendah dari sensor yang umumnya ekuivalen dengan ISO50 hingga ISO200 (tergantung jenis dan merk kamera). Pada nilai ISO normal ini kepekaan sensor terhadap cahaya berada pada level terendah sehingga dibutuhkan cukup banyak cahaya untuk mendapatkan foto dengan exposure yang tepat. Oleh karena itu umumnya ISO normal hanya dipakai saat pemotretan outdoor di siang hari MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 14 c. Tanggapan Waktu Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen dengan masukkan step input. Pada gambar 4 grafik 1 menunjukkan respon yang paling cepat dibanding dengan dua grafik lainnya, sedangkan grafik 3 menunjukkan respon yang paling lambat dibandingakan dengan grafik yang lainnya. Step Input 1,0 t Gambar 5. Grafik tanggapan waktu dari berbagai transduser d. Jangkauan Salah satu kriteria untuk memilih sensor adalah kesanggupan mengindera sesuai dengan yang diperlukan. Misalnya sebuah alat ukur akan digunakan untuk pengukuran suhu disekitar kamar yaitu antara -35oC sampai 150oC dilihat dari jangkauan ukurnya dapat dipilih sensor NTC, PTC, transistor, dioda dan IC hibrid. William D.C, (1993), mengatakan hal yang perlu diperhatikan dalam memilih sensor yang tepat adalah dengan mengajukan beberapa pertanyaan berikut ini: a) Besaran fisis apa yang akan diindera? b) Prinsip transduser yang mana yang paling baik digunakan untuk mengindera besaran ini? c) Berapa ketelitian yang diinginkan pada penginderaan ini? d) Bagiamana kondisi lingkungan : efek temperatur, goncangan, dan getaran? e) Apakah memenuhi nilai ekonomis?. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 15 AVR ATMega8535 DS1621 merupakan salah satu sensor suhu yang menggunakan komunikasi I2C dalam pembacaannya. sensor produksi Dallas Semiconductor ini cukup bagus karena bisa membaca antara range -55 sampai 125 C. Resolusi yang digunakan dalam project ini sebesar 0,5 C. Sensor ini kebanyakan digunakan untuk pengukuran suhu permukaan object, misalkan suhu heatsink dan sebagainy f) Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang diperlukan? 2. Cara Kerja Sensor Sensor Suhu/ Thermal Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas / suhu / temperatur pada suatu dimensi benda padat, cair atau gas. Beberapa sensor suhu antara lain: thermocouple, RTD, thermistor, IC sensor LM35. a. Termokopel Termokopel adalah sensor yang dapat mengubah besaran panas dengan keluaran berbentuk beda potensial. Susunan sensor termokopel terdiri dari sepasang kawat logam yang tidak sama dihubungkan bersama-sama pada satu ujung yang akan mengindera panas dan berakhir pada ujung lain yang dipertahankan pada suatu temperature konstan yang diketahui (temperature referensi). Susunan bahan termokopel secara bagan dapat dilihat pada gambar 5. di bawah ini. Titik Referensi Alat Ukur e Atau Pencatat Titik Indera t = + + ...(2.1) Dimana: t = temperatur titik indera; A,B, dan C = konstanta-konstanta bahan termokopel Gambar 6. Rangkaian Dasar Termokopel MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 16 Prinsip Kerja Kerapatan elektron untuk setiap bahan logam berbeda tergantung dari jenis logam. Jika dua batang logam disatukan salah satu ujungnya, dan kemudian dipanaskan, maka elektron dari batang logam yang memiliki kepadatan tinggi akan bergerak ke batang yang kepadatan elektronnya rendah, dengan demikian terjadilah perbedaan tegangan diantara ujung kedua batang logam yang tidak disatukan atau dipanaskan. Besarnya termolistrik atau beda potensial yang dihasilkan menurut T.J Seeback (1821) yang menemukan hubungan perbedaan panas (T1 dan T2) dengan gaya gerak listrik yang dihasilkan E, Peltir (1834), menemukan gejala panas yang mengalir dan panas yang diserap pada titik hot-juction dan cold-junction, dan Sir William Thomson, menemukan arah arus mengalir dari titik panas ke titik dingin dan sebaliknya, sehingga ketiganya menghasilkan rumus sbb: E = C1(T1-T2) + C2(T12 – T22) Efek Peltier ....(2.2) (…) Efek Thomson atau E = 37,5(T1_T2) – 0,045(T12-T22) ( ...) Dimana 37,5 dan 0,045 merupakan dua konstanta C1 dan C2 untuk termokopel tembaga/konstanta. The 1109 can be rotated 300 degrees and outputs a number between 0 and 1000 based on the shaft position. The maximum resistance of the potentiometer is 10K ohm. This sensor is designed to be 3.3V compatible and can interface with other products as an alternative. For example, the Java based Sentilla Perk includes side ports that are compatible with 3.3V Phidget sensors without any modifications. Gambar 7. Beda potensial pada Termokopel Bila ujung logam yang tidak dipanaskan dihubung singkat, perambatan panas dari ujung panas ke ujung dingin akan semakin cepat. Sebaliknya bila suatu termokopel diberi tegangan listrik DC, maka diujung sambungan terjadi panas atau menjadi dingin tergantung polaritas bahan (deret Volta) dan polaritas tegangan MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 17 sumber. Dari prinsip ini memungkinkan membuat termokopel menjadi pendingin. Tegangan keluaran termokopel sebagai fungsi temperatur untuk berbagai bahan termokopel dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Gambar 8. Tegangan Keluaran Termokopel Terlihat dari gambar diatas terdapat jenis sensor dari termokopel yang dapat mengindera temperature yang cukup tinggi. Untuk mendapatkan informasi yang lebih detail dapat dilihat di datasheet masing-masing tipe dari termokopel. b. RTD (Resistance Thermal Detector) RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator. Bahan tersebut antara lain; platina, emas, perak, nikel dan tembaga, dan yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan menyensor suhu sampai 1500o C. Tembaga dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi. Kumparan kawat platina Inti dari Quartz Terminal sambungan Kabel keluaran Gambar 9. Konstruksi RTD MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 18 RTD memiliki keunggulan dibanding termokopel yaitu: 1. Tidak diperlukan suhu referensi 2. Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi. Resistance Temperatur Detectors (RTD), seperti namanya, adalah sensor yang mengubah mengubah data pembacaan suhu menjadi hambatan atau resistansi. Sebagian besar terdiri dari unsur RTD panjang kawat halus melingkar melilit sebuah keramik atau gelas inti. Unsur ini biasanya cukup rapuh, sehingga sering ditempatkan di dalam probe berselubung untuk melindunginya. RTD adalah salah satu sensor suhu yang paling akurat. Tidak hanya memberikan akurasi yang baik, tapi juga memberikan stabilitas yang sangat baik . RTDs juga relatif kebal terhadap gangguan listrik sehingga cocok untuk pengukuran suhu di lingkungan industri, terutama di sekitar motor, generator dan peralatan tegangan tinggi lainnya.Jenis-jenis RTD:1. RTD elemen RTD elemen adalah bentuk sederhana dari RTD. Ini terdiri dari sepotong kawat dibungkus di sekitar inti keramik atau kaca. Karena ukuran kompak, elemen RTD biasanya digunakan bila ruang sangat terbatas. 3. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel 4. Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah 5. Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah. Resistance Thermal Detector (RTD) perubahan tahanannya lebih linear terhadap temperatur uji tetapi koefisien lebih rendah dari thermistor dan model matematis linier adalah: ....(2.3) = (1+α∆ ) Dimana : Ro = tahanan konduktor pada temperature awal ( biasanya 0oC) RT = tahanan konduktor pada temperatur toC α = koefisien temperatur tahanan Δt = selisih antara temperatur kerja dengan temperatur awal Sedangkan model matematis nonliner kuadratik adalah: ....(2.4) MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 19 Gambar 10. Resistansi versus Temperatur untuk variasi RTD metal Bentuk lain dari Konstruksi RTD Gambar 11. Jenis RTD: (a) Wire (b) Ceramic Tube (c) Thin Film c. Thermistor Termistor atau tahanan thermal adalah alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi, yang biasanya negatif. Umumnya tahanan termistor pada temperatur ruang dapat berkurang 6% untuk setiap kenaikan temperatur sebesar 1oC. Kepekaan yang tinggi terhadap perubahan temperatur ini membuat termistor sangat sesuai untuk pengukuran, pengontrolan dan kompensasi temperatur secara presisi. Termistor terbuat dari campuran oksida-oksida logam yang diendapkan seperti: mangan (Mn), nikel (Ni), cobalt (Co), tembaga (Cu), besi (Fe) dan uranium (U). Rangkuman tahanannya adalah dari 0,5 sampai 75 dan tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran. Ukuran paling kecil berbentuk mani-manik (beads) dengan diameter MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 20 0,15 mm sampai 1,25 mm, bentuk piringan (disk) atau cincin (washer) dengan ukuran 2,5 mm sampai 25 mm. Cincin-cincin dapat ditumpukan dan di tempatkan secara seri atau paralel guna memperbesar disipasi daya. Dalam operasinya termistor memanfaatkan Termistor memiliki sifat yang mirip perubahan resistansi terhadap temperatur, dan umumnya dengan rtd yaitu mampu mendeteksi nilai tahanannya turun terhadap temperatur secara perubahan suhu menjadi perubahan eksponensial untuk jenis NTC ( Negative Thermal hambatan (resistansi). Coeffisien) Termistor ditemukan oleh samuel = ruben pada tahun 1930. Ada dua (2.5) macam termistor secara umum: Posistor atau PTC (Positive Temperature Coefficient), dan NTC(Negative Temperature Coefficient). Nilai tahanan pada PTC akan naik jika perubahan suhunya Gambar 12. Konfigurasi Thermistor: (a) coated-bead (b) disk (c) dioda case dan (d) thin-film naik, sementara sifat NTC justru kebalikannya. Teknik Kompensasi Termistor: Karkateristik termistor berikut memperlihatkan hubungan antara temperatur dan resistansi seperti tampak pada gambar 12. Gambar 13. Grafik Termistor resistansi vs temperatuer: (a) logaritmik (b) skala linier MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 21 Untuk pengontrolan perlu mengubah tahanan menjadi tegangan, berikut rangkaian dasar untuk mengubah resistansi menjadi tegangan. Vs RT Persamaan (2.6) Gambar 14. Rangkaian uji termistor sebagai pembagi tegangan Thermistor dengan koefisien positif (PTC, tidak baku) Gambar 15. Termistor jenis PTC: (a) linier (b) switching Cara lain untuk mengubah resistansi menjadi tegangan adalah dengan teknik linearisasi. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 22 R5 RT’ Zero RT +Vzero R4 R3 (10 kΩ) RM +Vref R1 + V0 + R2 ≥ RT’ VT Persamaan (2.7) Gambar 16. Pengubah Resistansi Menjadi Tegangan Listrik Daerah resistansi mendekati linier RT RS + R M RM = Mean Value of RT RT’ = 1+ ( − RT’ ) ....(2.8) Untuk teknik kompensasi temperatur menggunakan rangkaian penguat jembatan lebih baik digunakan untuk jenis sensor resistansi karena rangkaian jembatan dapat 23 diatur titik kesetimbangannya CAPACITOR DISCHARGE INGNITION Capacitor discharge ignition sistem menyimpan energi di dalam kapasitor lebih banyak daripada dalam koil. CDI memang masih membutuhkan koil, namun koil hanya sebatas digunakan untuk transformasi pulsa agar tegangan meningkat dengan cepatDalam sistem CDI, circuit tenaga utama adalah sebuah oscilator mini yang mengisi kapasitor hingga 600 volt dan menunggu kontak pick up dan pulser memicu sistem. Ini disebut Magnetic Trigering System. Ketika sinyal dipicu, kapasitor akan menghantarkan energi ke kumparan primer pada koil. Koil bertindak sebagai perubah pulsa MODUL SENSOR DAN TRANDUSER dan meninggikan tegangan dari kapasitor hingga menjadi 40.000 volt yang dibutuhkan untuk menciptakan loncatan bunga api sejauh kurang dari 1mm di dalam ruang bakar yang terkompresi Gambar 17. Grafik temperature terhadap d. Sensor Suhu Rangkaian Terpadu (IC) Gambar 18. Sensor Suhu Sensor suhu dengan IC ini menggunakan chip silikon untuk elemen yang merasakan (sensor). Memiliki konfigurasi outputtegangan dan arus. Meskipun terbatas dalam rentang suhu dari -550C sampai 1500C, tetapi menghasilkan output yang sangat linear 1 0 m V / 0 C . 24 Overview The DHT-22 is a low cost humidity and temperature sensor with a single wire digital interface. The sensor is calibrated and doesn't require extra components so you can get right to measuring relative humidity and temperature. Fitur 3.3-6V Input 1-1.5mA measuring current 40-50 uA standby current Humidity from 0-100% RH -40 - 80 degrees C temperature range MODUL SENSOR DAN TRANDUSER +-2% RH accuracy +-0.5 degrees C Tabel 2 Klasifikasi Sensor Suhu beserta karakteristik, kelemahan, dan kekuatannya Thermocouple RTD Thermistor R T Self powered T Temperatur Temperatur Paling stabil Paling akurat Sederhana Lebih T Temperatur daripada Banyak thermocouple arus T Temperatur Output tinggi Paling linear Cepat Output linear Murah tinggi Mengukur Ohms paling dua Murah kawat macamnya Range V atau I Tahanan Tahanan Tahanan Karakteristik R Tegangan at au Simbol T R Kekuatan IC Sensor suhu luas Tidak linear Mahal Tidak linear Memerlukan Range suhu Tegangan Kelemahan rendah suply daya Memerlukan D R kecil referensi Tahanan Kurang stabil Kurang absolut rendah Self heating T < 200° C Memerlukan suply daya terbatas Rentan Memerlukan suply daya Self heating Lambat Self heating Konfigura si terbatas sensitive Sensor Optik / Cahaya Sensor optik atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya, ataupun bias cahaya yang mengenai benda atau ruangan.Beberapa sensor cahaya diantaranya: Foto Listrik, Fotofoltaic, Fotodioda, LDR. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 25 a. Foto Listrik Anoda Katoda Cahaya A V b. Rangkaian uji a. Kontruksi Gambar 19. (a) Konstruksi (b) Rangkaian Uji Dapat digambarkan karakteristik dari fotolistrik sebagai berikut: Fluks =1 lumen Arus anoda A 20 0,8 15 0,6 0,4 10 0,2 5 80 v 160 v Tegangan anoda Gambar 20. Kurva Karakteristik Perhatikan bahwa untuk tegangan diatas 20 volt arus keluaran hampir tidak bergantung pada tegangan yang diberikan tetapi tergantung dari intensitas cahaya yang masuk melalui tabung, arus keluaran biasanya dalam orde mikrometer dengan demikian tabung cahaya dihubungkan ke penguat arus guna menghasilkan suatu kel uaran yang bermanfaat, transduser ini dapat mengubahintensitas cahaya menjadi arus listrik. Arus listrik yang terjadi berbanding lurus dengan intensitas cahaya yang masuk. b. Fotovoltaic atau sel solar MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 26 Fotovoltaic adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik. Sel solar silikon yang modern pada dasarnya adalah sambungan PN dengan lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan menyebabkan gerakan Fotovoltaik (PV) adalah sektor teknologi dan penelitian yang berhubungan dengan aplikasi panel surya untuk energi dengan mengubah sinar Matahari menjadi listrik. Karena permintaan yang terus meningkat terhadap sumber energi bersih, pembuatan panel surya dan kumpulan fotovoltaik telah meluas secara dramatis dalam beberapa tahun belakangan ini. Produksi fotovoltaik telah berlipat setiap dua tahun, meningkat rata-rata 48 persen tiap tahun sejak 2002, menjadikannya teknologi energi dengan pertumbuhan tercepat di dunia. Pada akhir 2007, menurut data awal, produksi global mencapai 12.400 megawatt. Secara kasar, 90% dari kapasitas generator ini meliputi sistem listrik terikat. Pemasangan seperti ini dilakukan di atas tanah (dan kadang-kadang digabungkan dengan pertanian dan penggarapan) atau dibangun di atap atau dinding bangunan, dikenal sebagai Building Integrated Photovoltaic atau BIPV. elektron antara bagian P dan N, jadi menghasilkan tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel pada sinar matahari penuh. Tegangan yang dihasilan oleh sensor foto voltaik adalah sebanding dengan frekuensi gelombang cahaya (sesuai konstanta Plank E = h.f). Semakin kearah warna cahaya biru, makin tinggi tegangan yang dihasilkan. Tingginya intensitas listrik akan berpengaruh terhadap arus listrik. Bila foto voltaik diberi beban maka arus listrik dapat dihasilkan adalah tergantung dari intensitas cahaya yang mengenai permukaan semikonduktor. Sinar datang Katoda dari - Electron keluar dari permukaan Tegangan keluaran Anoda dari + Tabung Hampa Gambar 21. Pembangkitan tegangan pada Foto volatik Berikut karakteristik dari foto voltaik berdasarkan hubungan antara intensitas cahaya dengan arus dan tegangan yang dihasilkan. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 27 Iout , µA Vout , mV 15 0,6 10 0,4 5 0,2 _ + Short Circuit 5 Intensity, mV / cm2 Open Circuit 0 10 5 10 1 10-2 2 Intensity, mW / cm 10-4 (a) (b) R0 + V0 (c) Gambar 22. (a) & (b) Karakteristik Intensitas vs Arus dan Tegangan dan (c) Rangakain penguat tegangan. Gambar 23. Cahaya pada sel fotovoltaik menghasilkan tegangan c. Fotodioda Salah satu transduser yang dapat dihunakan untuk mendeteksi intensitas cahaya dan mempunyai sifat yang linier adalah fotodioda. Disebut fotodioda karena ada dua kaki (dioda) dan arus mengalir padanya dengan mudah dalam satu arah dan sulit dalam arah yang lain. Kedua aliran arus pada arah yang sulit dapat berubah dengan adanya perubahan intensitas cahaya. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 28 Simbol untuk dioda, arah aliran arus yang mudah (bias maju) dan arah alran sukar (bias mundur) diperlihatkan pada gambar 23. Fotodioda Anoda (a) Katoda (k) Fotodioda adalah jenis dioda yang berfungsi cahaya. sensor mendeteksi Fotodioda cahaya mudah lewat Sukar lewat merupakan semikonduktor Gambar 24. Sifat fotodioda yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Hal yang penting untuk diperhatikan ketika Photodioda sebuah dibias terbalik arus berbanding lurus dengan intensitas cahaya dioda dengan sambungan pn yang apabila beda potensial ditahan konstan, karakteristik seperti dipengaruhi ini sangat penting untuk diperhatikan. Karakteristiknya dapat Fotodioda merupakan cahaya dalam kerjanya. Cahaya yang dapat dideteksi oleh fotodioda ini mulai ditunjukkan seperti pada gambar 24. arus balik tegangan konstan dari cahaya infra merah, cahaya tampak, dengan ultra ungu sinar-X. sampai Aplikasi fotodioda mulai dari penghitung kendaraan di jalan umum secara terang gelap otomatis, pengukur cahaya pada kamera serta beberapa peralatan intensitas cahaya di bidang medis. Gambar 25 Karakteristik Photodioda. Arus bias terbalik sangatlah kecil dan berubah sesuai dengan tingkat pencahayaan, dari sekitar 1 nanoamp di tempat gelap (nA atau 10-9A) sampai sekitar 1 miliamp (mA atau 10-3A) di tempat terang. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 29 Penguat Khusus untuk Photodioda R I arus balik 2 Op- k D1 6 3 Vout a 0V - V Gambar 26. Penguat Photodioda Tegangan keluaran Vout = I x R I adalah arus bias mundur fotodioda R nilai resistor umpan balik d. LDR LDR kepanjangan dari Light Dependen Resistor, sebuah transduser yang resistansinya dipengaruhi oleh cahaya, di tempat yang gelap resistansinya tinggi dalam orde mega ohm atau lebih, ditempat yang terang resistansinya menurun hingga kurang dari 1000 Ω (k Ω). Istilah lain dari LDR adalah fotosel, symbol dan karakteristiknya dapat ditunjukkan pada gambar berikut ini: kawat terminal Gambar 27. Simbol fotosel MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 30 resistansi Intensitas cahaya Gambar 28. Grafik resistansi fotosel terjadap intensitas cahaya. Untuk mengolah sinyal keluaran dari LDR ini dapat menggunakan pembagi tegangan atau jembatan wheatstone. LDR Gambar 29. Pengolah sinyal keluaran LDR dengan pembagi tegangan Dari gambar di atas, tegangan di basis pada resistor adalah: ....(2.9) Sensor mekanis Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis seperti perpindahan atau pergeseran, posisi gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level, dan sebagainya. Contoh sraingage, sensor kapasitif (mengubah pergeseran menjadi perubahan kapasitansi),sensor induktif, proksimiti dan sebagainya. Sensor gyroscope yang saya gunakan ini adalah sebuah modul yang terdiri dari sensor Gyroscope LISY300AL dan ADC serial ADC101S021 yang dikeluarkan oleh PARALLAX Inc. Pada modul ini pun telah dilengkapi dengan regulator tegangan 3.3 V sebagai supply nya. Modul Sensor Gyroscope LISY300AL dapat mendeteksi kecepatan sudut (angular rate) satu axis, yaitu sumbu Z (yaw). Dan mampu membaca sampai ± 300°/s full scale. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 31 a. Sensor Tekanan Starin Gage Prinsip kerja starain gage adalah mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Besanya tegangan didasarkan pada prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang. Tekanan yang diberikan pada kawat menyebabkan kawat bengkok sehingga menyebabkan ukuran kawat berubah dan mengubah tahanannya, seperti terlihat pada gambar 29. Gaya diberikan untuikmenguku (a)Jenis kawat (b) Jenis foil Ukuran regangan (c)Jembatan pengukuran rangkaian Gaya (d) Aplikasi umum-pengukuran tekanan balok Gambar 30. Penggunaan Sensor Tekan pada Pengukur Regangan Kawat Sensitifitas sebuah strain gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang dijelaskan dengan factor gage,k, didefinisikan sebagai perubahan satuan tahanan dibagi dengan perubahan satuan panjang karena setiap tekanan yang diberikan kepada bahan akan mempengaruhi panjang bahan, luas permukaan bahan, dan perubahan tahanan. ....(2.10) k = faktor gage R = tahanan gage nominal ΔR = Perubahan tahanan gage L = Panjang Normal ΔL = Perubahan Panjang MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 32 Gambar 31. Contoh Penggunaan Sensor Tekanan (di ambil dari http://www.chinawholesalegift.com ) b. Transduser Kapasitif Memanfaatkan perubahan kapasitansi: 1. Akibat perubahan posisi bahan dielektrik diantara kedua keping 2. Akibat pergeseran posisi salah satu keping dan luas keping yang berhadapan langsung 3. Akibat penambahan jarak antara kedua keping Gambar 32. Sensor posisi kapasitif: (a) pergeseran media mendatar, (b) pergeseran berputar, (c) pergeseran jarak plat 4. Nilai kapasitansi berbanding lurus dengan area dan berbanding terbaik dengan jarak = ....(2.11) 5. Cukup sensitif tetapi linieritas buruk 6. Rangkaian jembatan seperti pada sensor induktif dapat digunakan dengan kapasitor dihubungkan paralel dengan resistansi (tinggi) untuk memberi jalur DC untuk input op amp MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 33 7. Alternatif kedua mengubah perubahan kapasitansi menjadi perubahan frekuensi osilator. = , ( ) ....(2.12) Vcc Rv Sensor Gambar 33. Pemakaian sensor Humidity pada rangkaian elektronik: kapasitansi menjadi frekuensi 8. Solusi rangkaian murah dengan osilator relaksasi dual inverter CMOS c. Transduser untuk Mendeteksi Pergeseran Deskripsi Akibat Gaya Produk ini merupakan sensor yang mampu mendeteksi getaran, yang kemudian sinyal getaran ini diteruskan ke output digital. Digunakan sebagai saklar digital. Penggunaannya sangat mudah, cukup hubungkan dengan pin digital Arduino Anda melalui I/O Expansion Shield. Transduser yang digunakan untuk mendeteksi perubahan gaya. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubPah induktansi dari sepasang kumparan atau dengan kumparan tunggal. mengubah Dengan induktansi mengubah jangkar feromagnetik yang digeser oleh gaya yang akan diukur, dengan mengubah fermeabilitas medium. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 34 = ....(2.13) Gambar 34. Induktor Kumparan Dobel (William D.C, 1993) Dari persamaan dan gambar di atas sebuah induktor dapat digunakan untuk mendeteksi pergeseran benda gaya, benda yang digeser – geser karena perubahan gaya akan mempengaruhi konstanta permeabilitas dari induktor tersebut, menggeser benda sama artinya dengan mengubah sehingga harga induktansi akan berubah (untik PTE). Kesimpulannya bahwa sensor ini dapat mendeteksi perubahan gaya yang dibaca sebagai perubahan induktasi. d. Transducer perpindahan menggunakan resistansi terubah Gambar 35. Sensor Perpindahan ....(2.14) A R Resistansi() Panjang (m) R A Luas (m 2 ) Re sis tan si bahan (m) Harga resistansi berbanding lurus dengan l sehingga jika panjang resistor perubah maka resistansinya berubah. Denganmemberi sumber dari luar maka akan didapatkan perpindahan berbanding lurus dengan tegangan keluaran. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 35 Rw ....(2.15) .E i Rt EO tegangan keluaran EO E i tegangan masukkan Rw Resistansi antara sapu dan terminal Rt = Resistansi Total C. Rangkuman 2 Syarat umum sebuah sensor adalah linieritas, sensitivitas tanggapan waktu, dan jangkauan. 1. Untuk mendeteksi panas antara lain dapat menggunakan sensor : thermocouple, RTD, thermistor, bimetal, IC sensor LM35. 2. Untuk mendeteksi intensitas cahaya dapat menggunakan sensor : Fotolistrik. Fotodioda, LDR, Fotofoltaic, Cell Foto Emisive, Foto Multypier, Foto Transistor. 3. PenggunaanLM35 mempunyai linieritas yang bagus dan jangkauan pengukuran antara -550C sampai dengan 1550C. 4. Thermocouple pada prinsipnya menggunakan perbedaan suhu antarsambungan penghantar menyebabkan terbangkitnya tegangan DC yang kecil. 5. Strain gage mengubah tegangan mekanis menjadi perubahan tahanan listrik. Tahanan listrik yang dihasilkan dapat diubah menjadi tegangan dengan cara menggunakan jembatan Wheatstone. 6. Fotovoltaic atau sel solar adalah sensor cahaya mengubah energi cahaya langsung menjadi energi listrik 7. Fotolistrik dapat mengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik dalam orde mikro ampere. c. Tugas 2 Cari spesifikasi dan cara kerja berbagai sensor yang ada dipasaran! MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 36 D. Tes Formatif 2 1. Jelaskan cara memilih sensor yang baik? (Untuk SMK dan PTE) 2. Jelaskan perbedaan prinsip kerja dari sensor fotovoltaic dan sensor fotolistrik! (Untuk SMK dan PTE) 3. Jelaskan perbedaan prinsip kerja dari sensor termokopel, RTD, dan thermistor! (Untuk SMK dan PTE) 4. Jelaskan cara kerja Strain gage secara singkat dan bagaimana cara mengolah perubahan tahanan itu menjadi tegangan listrik, berikan gambar rangkaiannya! (Untuk PTE) E. Kunci Jawaban Tesformatif 2 1. Syarat umum pemilihan sensor adalah memenuhi kriteria sebagai berikut : Linieritas, sensitivitas, tanggapan waktu, dan jangkauan. Ditambah syarat yang spesifik yakni : 1) Besaran fisis apa yang akan diindera? 2) Prinsip transduser yang mana yang paling baik digunakan untuk mengindera besaran ini? 3) Berapa ketelitian yang diinginkan pada peninderaan ini? 4) Bagiamana kondisi lingkungan : efek temperatur, goncangan, dan getaran? 5) Apakah memenuhi nilai ekonomis?. 6) Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang diperlukan? 2. Fotovoltaic mengubah intensitas cahaya menjadi tegangan listrik, fotolistrik mengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik. 3. Termokopel mengubah besaran panas menjadi tegangan listrik, RTD mengubah besaran panas menjadi perubahan tahanan. Termokopel dan RTD dapat bekerja pada jangkauan pengimderaan 150oC sampai 700oC. Thermistor mengubah besaran panas menjadi perubahan tahanan. Thermistor mempunyai jangkauan penginderaan antara -35oC sampai 150oC. 4. Strain gage mengubah besaran tekanan, mekanik dari suatu bahan menjadi perubahan tahanan dimana tekanan dapat mengubah panjang dan luas permukaan dari bahan yang dikenai tekanan tersebut yang pada akhirnya dapat mengubah MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 37 tahanan. Tahanan listrik yang dihasilkan dapat diubah menjadi tegangan dengan cara menggunakan jembatan Wheatstone seperti gambar di bawah ini: R1 Vout R2 R0 R3 Gambar 36. Jembatan Wheatstone F. Umpan Balik 2 Setelah anda menyelesaikan jawaban dari tes formatif dan membandingkan dengan kunci jawaban, jika jawaban anda sudah benar maka dapat melanjutkan ke modul berikutnya tetapi jika jawaban anda masih banyak yang salah maka dianjurkan untuk mengulang mempelajari modul ini. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 38 PEMBELAJARAN 3 PENGUKURAN DAN PENYETELAN (Pengolahan Sinyal Keluaran) a. Tujuan Pembelajaran 3 Setelah mempelajari modul ini saudara diharapkan memiliki kemampuan : 1. Dapat melakukan pengukuran besaran masukan dan keluaran transduser. 2. Dapat mendemonstrasikan cara kerja sensor. 3. Dapat melakukan penyetelan pengolahan rangkaian yang mengandung sensor. 4. Dapat menganalisis pengolahan sinyal keluaran sensor..(Untuk PTE) b. Uraian materi 3 Pengukuran Besaran Masukan Dan Keluaran Transduser Untuk melakukan pengukuran besaran masukan dan keluaran dari sebuah trasduser diperlukan antara lain: a. Transduser b. Rangkaian pengolah sinyal c. Besaran – besaran input yang akan dideteksi d. Alat ukur Untuk melaksanakan pengukuran tersebut diperlukan petunjuk pelaksanaan pengukuran. Contoh: 1. Pengukuran panas dengan memanfaatkan transduser termokopel Perlatan yang diperlukan antar lain: a. Transduser termokopel b. Penguat instrumentasi sebagai pengolah sinyal karena keluaran yang dihasilkan termokopel tegangan mengambang dan dalam orde milivolt c. Alat ukur: thermometer, volt meter. d. Sumber panas e. Zat yang dipanaskan MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 39 Secara lengkap dan terperinci, peralatan yang diperlukan adalah sebagai berikut: Alat dan Bahan: 1. Catu daya 12 volt kembar (+ 12 V, 0, - 12 V) ......... 1 buah 2. Pemanas air listrik.................................................... 1 buah 3. Multimeter............................................... ................ 1 buah 4. Thermometer alkohol 110oC..................... .............. 1 buah 5. Termokopel ............................................. ................ 1 buah 6. IC LM 741 .............................................. ................ 3 buah 7. Resistor 10 k Ohm ................................. ................. 1 buah 8. Resistor 1 k Ohm .................................... ................ 4 buah 9. Resistor variabel 1 k Ohm ....................... ............... 1 buah 10. Potensiometer 20 k Ohm ............. .......... ................ 1 buah 11. Kabel penghubung .................................. ................ secukupnya 12. Es dengan tempatnya............................... ................ secukupnya Kesehatan dan Keselamatan Kerja: 1. Pastikan tegangan keluaran catu daya sesuai yang dibutuhkan. 2. Dalam menyusun rangkaian, perhatikan letak kaki-kaki IC. 3. Sebelumcatu daya dihidupkan, hubungi guru untuk mengecek kebenaran pemasangan rangkaian. 4. Dalam menggunakan meter kumparan putar (volt meter, amper meter dan ohm meter), mulailah dari batas ukur yang besar. Bila simpangan terlalu kecil dan masih di bawah batas ukur yang lebih rendah, turunkan batas ukur. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 40 Rangkaian Pengukuran: Gambar 37. Rangkaian Pengukuran Panas menggunakakn Termokopel Langkah Kerja 1. Susunlah rangkaian seperti pada Gambar 37. 2. Letakkan termokopel pada es yang mencair. Ukurlah suhu es dengan termometer! Bila suhu air es tepat 0o C, amatilah dan catatlah tegangan keluaran V0! 3. Naikkan suhu air es dengan pemanas air listrik! Amatilah V0 4. untuk setiap kenaikan 10o C dan catatlah! 5. Ulangi langkah 4 sampai air mendidih (suhunya 100o C)! 6. Buatlah grafik hubungan antara suhu air dengan tegangan V0! 7. Apakah grafiknya merupakan fungsi linier? Untuk PTE analisa dari tangkaian penguat dari instrumentasi di atas adalah sebagai berikut: Penguat instrumentasi Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan difrensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio –CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau transducer secara akurat. Rangkaian ekuivalen penguat instrumentasi adalah seperti gambar MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 41 Gambar 38. Rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi Besaran RicM adalah hambatan atau impedansi atau impedansi masukan diferensial . eoo adalah tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan Ro adalah hambatan atau impedansi keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah penguat loop terbuka. Maka tak perlu dipasang rangkaian umpan balik untuk menggunakannya seperti halnya penguat operasioanal (op-amp). Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran IC dan komponen diskrit. Satu contoh penguat instrumentasi adalah penguat Burr-Brown 3620. spesifikasi penguat ini adalah sebagai berikut ; Drift rendah : 25 v/ c Bising rendah : 1 Vpp CMRR tinggi 100 dB Impedansi masukan tinggi : 300 M (difrensial) dan 1 G CM(common mode) Kisaran penguatan : 1 hingga 10.000 . Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-amp. Mutu penguat ini bergantung pada mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut offset masukan., impedansi masukan, drift pada tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya. Disamping itu CMRR dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada presisi dari komponen pasif yang digunakan. marilah kita bahas dua rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op-amp. Rangkaian yang lazim digunakan orang untuk membuat panguat instrumentasi dengan op-amp adalah seperti pada gambar 30. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 42 Gambar 39. Suatu penguat instrumentasi Arduino Sensor Shield V4.0 Kita dapat bagi rangkaian diatas menjadi dua bagian yaitu bagian terdiri dari OA1 dan OA2 dan bagian II terdiri We can build electronics projects just as easy as piling bricks. Arduino and community have made the programming much easier than ever before. How about some elixir on hardware part? Maybe it is not yet convenient to make complex interfaces, but we can at least start from the most commonly used modules. By using electronic bricks, you may connect Arduino compatible boards easily with various digital, analog and I2C/Uart interfaces. These the breadboard-less firm connection are prepared to extensive modules like poteniometers, sensors, relays, servos...even buttons, just plug and play. Each terminal module has buckled port with VCC, GND and Output, which has corresponding port on the sensing board, with a plain 2.54mm dual-female cable you may start playing already. Buckled brick cables are like cement for bricks, make the connections easier, secure and more professional looking. dari OA3 marialh kita bahas bagian II lebih dahulu bagian kita lukiskan lagi pada gambar 8.3 Gambar 40. Rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp Oleh karena hambatan masukan difrensial dari opamp amat tinggi maka dapat dianggap I3=I4 =0 sehingga : Ia =I a’ dan Ib =Ib’ MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 43 Dengan menggunakan hukum Kirchoff kita peroleh : =( − ) + −0=( + ....(3.1) ) ....(3.2) Selanjutnya kita gunakan suatu sifat op-amp yang lain yaitu bahwa masukan inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual oleh sebab ini: =− + dari ketiga persamaan ini kita peroleh ; ....(3.3) =− + −( = = 1+ − ) − ....(3.4) Agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka hasrus dibuat agar : = = atau sebaiknya digunakan R5 =R2 dan R7 = R6 maka : = =− ( − 1+ ) + − ....(3.5) jadi = , − =− ....(3.6) Penguatan common mode dapat kita peroleh bila kita gunakan = = ....(3.7) seperti gambar 40. Gambar 41. Penguat difrensial dengan menggunakan common mode. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 44 Persamaan menjadi = 1+ − …………(3.8) seperti telah digunakan diatas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh penguat difrensial akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin membuat dua hambatan tepat sama. Resistor yang dijual ditoko mempunyai toelransi minimum 1 %. − Misalkan = 1+ = ∆≪ 1 ∆ Maka , = = 1− ∆ ....(3.9) dari persamaan diatas kita peroleh Common Mode Rejection Ratio. = = , , = ∆ ....(3.10) ∆ Tampak bila ∆= 1% = 0.01dan = maka CMRR =60=30 dB Jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang tinggi pula . Marilah kita kembali kepada gambar 30. dan kita lukiskan bagian I Gambar 42. Bagian I rangkaian pada gambar 30. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 45 Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp ada pada keadaan hubung singkat virtual, maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B = eb. disamping itu karena hambatan masukan difrensial pada op-amp mempunyai harga sangat besar maka arus I 1= I2 = 0 akibatnya: = − = ( − akan tetapi sehingga sehingga + + = − ) = = = 1+ ( − ) Persamaan 3.11 menyatakan bahwa bila ea= eb= eCM maka VPQ=0 sehingga Av,CM=0, yang berarti bahwa pada rangkaian Gambar 30 penurunan CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R2,R6, R5 dan R7 yang harus mempunyai nilai yang presisi. Penguatan dari seluruh rangkaian gambar 30 dapat diperoleh dengan menggabungkan persamaan 3.8 dan 3.11 yaitu : , = 1+ ....(3.12) Humidity Temperature Sensor DHT11 This DHT11 Temperature & Humidity Sensor features a temperature & humidity sensor complex with a calibrated digital signal output. By using the exclusive digital-signalacquisition technique and temperature & humidity sensing technology, it ensures high reliability and excellent long-term stability. This sensor includes a resistive-type humidity measurement component and an NTC temperature measurement component, and connects to a high-performance 8-bit microcontroller, offering excellent quality, fast response, antiinterference ability and costeffectiveness Pengukuran tranduser pergeseran Mengukur putaran yang akan diubah menjadi besaran tegangan listrik. Alat dan Bahan 1. 2. 3. 4. 5. 6. Busur derajat.......................................... ...................... 1 buah Voltmeter ............................................... ...................... 1 buah Catu daya arus searah 5 volt ................... ..................... 1 buah Kabel penghubung ................................. ..................... secukupnya Potensiometer linier................................. ..................... 1 buah Potensiometer logaritmik ......................... .................... 1 buah MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 46 Kesehatan dan Keselamatan Kerja 1. Pastikanlah tegangan keluaran catu daya sesuai yang dibutuhkan 2. Sebelum catu daya dihidupkan, hubungilah instruktur untuk mengecek kebenaran pemasangan rangkaian. 3. Dalam menggunakan meter kumparan putar, mulailah dari batas ukur yang besar. Bila simpangan terlalu kecil dan masih di bawah batas ukur yang lebih rendah, turunkan batas ukur. Langkah Kerja 1. Susunlah rangkaian seperti Gambar 15. berikut ini. 2. 10 k, Linier 5V V Gambar 43. Rangkaian Potensiometer 3. Putarlah potensiometer ke kiri penuh, catatlah penunjukan voltmeter! 4. Putarlah ke kanan potensiometer 20o, catatlah penunjukan voltmeter! 5. Ulangilah langkah nomor 3 untuk setiap kenaikan 20o sampai maksimal! Sudut maksimal = …… o 6. Tegangan maksimal = …… V Kepekaan potensiometer = …… V/ o Dari sudut maksimal, putarlah potensiometer ke kiri pada sudut satu langkah sebelum maksimal kanan dan catatlah nilai voltmeter. 7. Ulangilah nomor 5 untuk setiap penurunan 20o sampai kembali ke 0o. 8. Catatlah hasil pengukuran pada Tabel 1. berikut ini. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 47 Tabel 1. Pengukuran Tegangan Potensiometer No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 9. Sudut 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 maksimum Vo No 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Sudut maksimum 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Vo Buatlah kurva hubungan masukan-keluaran dari tabel diatas! 10. Ulangilah percobaan diatas untuk potensiometer logaritmik! 11. Bandingkan hasil pengukuran untuk potensiometer linier dan potensio-meter logaritmik! Manakah yang linier? Photoelectric Sensor with Grooved Design - Eliminates Optical Axis Adjustment Groove-type Sensor with groove width of 25 mm. Models are available with one or two light axes. Models are available with M8 pre-wired connector or e-CON pre-wired connectors. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 48 c. Rangkuman 3 Melakukan penyetelan, pengukuran dan penggunaan transduser diperlukan: 1) Peralatan dan bahan 4) Pencatatan hasil 2) K3 5) Analisa 3) Petunjuk pelaksanaan 1. Transduser yang menghasilkan tegangan / arus listrik yang sangat kecil memerlukan penguat instrumentasi. 2. Transduser yang keluarannya berbentuk perubahan listrik yang kecil daspat diolah dengan bantuan jembatar Wheatstone untuk mendapat keluaran berbentuk rangkaian listrik. d. Tugas 3 Rancang salahsatu rangkaian menggunakan transduser yang belum dijelaskan pada modul ini! e. Latihan 1. Mengapa thermocouple perlu dipasang lagi penguat? (Untuk SMK dan PTE) 2. Dari hasil grafik yang dibuat, bagaimana bentuk perbandingan antara tegangan output dengan suhu pada thermocouple? (Untuk SMK dan PTE) 3. Jelaskan sensor yang dapat digunakan untuk mendeteksi pergeseran puteran kemudian jelaskan prinsip kerjanya sehingga mengeluarkan perubahan tegangan listrik! (Untuk SMK dan PTE) 4. Sebutkan ciri – ciri penguat instrumentasi, rencanakan sebuah penguat instrumentasi menggunakan 3 buah op – amp dan berpenguat diferensial 100 kali. (Untuk PTE) f. Umpan Balik 3 Modul pada materi 3 adalah bersifat psikomotor yang berkaitan dengan praktek. Jika anda sudash dapat melakukan pengukuran dan penyetelan sensor / transduser dengan baik maka dapat ditafsirkan kompetensi anda dalam modul ini sudah terlampaui, jika belum dapat melaksanakan pengukuran dan penyetelan sensor / transduser dengan baik anda harus membaca ulang modul dan meminta petunjuk pada instruktur atau guru. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 49 LEMBAR EVALUASI A. PERTANYAAN 1 . Sebutkan persyaratan umum dalam pemilihan transduser! 2 . Apa yang dimaksud dengan transduser bersifat linier? (Untuk SMK dan PTE) 3 . Pilihlah suatu transduser yang mempunyai sifat linier dan sanggup untuk mengindera panas dari -550C sampai +1500C! Berikan Alasannya! (Untuk SMK dan PTE) 4 . Rancanglah suatu fotokonduktif, detektor suhu sederhana dengan menggunakan sebuah transistor sebagai saklar, relay kecil dan suatu lampu indikator! (Untuk SMK dan PTE) 5 . Jelaskan secara singkat cara untuk mendapatkan sinyal keluaran akibat keluaran transduser yang bersifat resistif dengan harga perubahan yang sangat kecil! Berikan rangkaian pengolalhsinyalnya! (Untuk PTE) B. KUNCI JAWABAN LEMBAR EVALUASI 1. Syarat umum pemilihan sensor adalah memenuhi kriteria sebagai berikut : Linieritas, sensitivitas, tanggapan waktu, dan jangkauan. Ditambah syarat yang spesifik yakni : 1) Besaran fisis apa yang akan diindera? 2) Prinsip transduser yang mana yang paling baik digunakan untuk mengindera besaran ini? 3) Berapa ketelitian yang diinginkan pada peninderaan ini? 4) Bagiamana kondisi lingkungan : efek temperatur, goncangan, dan getaran? 5) Apakah memenuhi nilai ekonomis?. 6) Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat yang diperlukan? 2. Linieritas pada transduser adalah jika hibungan besaran masukkan dan besaran keluaran dari sebuah sensor digambarkan dalam bentuk grafik akan membentuk garis lurus (linier). 3. Transduser yang cocok untuk mengindera panas dari -550C sampai +1500C dan mempunyai sifat linier dengan perbandingan 100C/1mV adalah IC LM35. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 50 4. Perhatikan gambar di bawah ini a) Tentukan tipe relay yang tepat untuk beban lampu. b) Untuk tegangan catu dipilih 9 volt, dan spesifikasi relay di atas diketahui, dipilih tipe transistor Q1 yang sesuai (disipasi daya sesuai, hFE cukup besar misalkan 100) c) Tentukan titik ambang yang dikehendaki, kemudian atur R untuk mendapatkan tegangan pulsa pemicu yang sesuai Rangkaiannya seperti gambar dibawah ini : LDR 5. Transduser dipasang pada jembatan Wheatstone Perubahan R pada transduser dapat menghasilkan perubahan tegangan keluraran yakni sebagai berikut: = + − + MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 51 C. KRITERIA KELULUSAN Teori No Tipe Pertanyaan 1 Jumlah Soal SMK PTE 3 Uraian Skor 4 100 Praktek No Uraian Bobot 1 Ketepatan alat/bahan 1 2 3 4 2 Kebenaran hasil praktek 1 2 3 4 3 Keselamatan kerja 1 2 3 4 4 Prosedur kerja 1 2 3 4 5 Interpretasi hasil 1 2 3 4 6 Waktu 1 2 3 4 Jumlah = Nilai Akhir = 0,3 Nilai Teori + 0.7 Nilai Praktik Jika skor nilai akhir telah mencapai 70 maka peserta diklat dinyatakan lulus MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 52 PENUTUP Peserta yang telah mencapai syarat kelulusan minimal dapat melanjutkan mempelajari kompetensi lanjutannya. Sebaliknya, apabila dinyatakan tidak lulus, maka peserta harus mengulang modul ini dan tidak diperkenankan untuk mempelajari kompetensi lanjutannya. Jika telah lulus menempuh modul, maka saudara berhak memperoleh sertifikat kompetensi. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER 53 DAFTAR PUSTAKA Bolton, Mechatronics, Longman Scientific and Technical. CS Rangaan et. al. , 1990, Instrumentation: Devices and Systems, Tata McGraw-Hill Publishing Company Ltd., New Delhi Kustija Jaja. 2008. Sistem Instrumentasi Elektronika, Modul Kuliah Universitas Mercubuana. Robert Boylestad and Louis Nashelsky, 1994, Electronic Devices And Circuit Theory, Fifth Ed., Eighth Printing, Prentice-Hall of India Private Ltd, New Delhi Wasito S., 1986, Vademekum Elektronika, cet. ketiga, PT Gramedia, Jakarta Willian D. De Cover, 1988, Electronic Measurement Systems, Prentice Hall International (UK) Ltd. MODUL SENSOR DAN TRANDUSER