sensor - eLisa UGM

SENSOR DAN TRANSDUSER




Kendali berbasis pada informasi. Sistem
otomatisasi harus mampu mendapatkan
informasi dari proses fisik yang dikendalikan;
Transduser masukan mengubah parameter2
fisik menjadi sinyal2 listrik yang berhubungan
dengan apa yang sedang terjadi;
Transduser adalah (secara luas) suatu piranti
yang menerima energi dari suatu sistem dan
mengirimkannya kembali, biasanya dalam
bentuk yang berbeda, ke sistem lainnya;
Istilah ‘sensor’ memiliki pengertian yang lebih
sempit  suatu bagian dari transduser yang
menanggapi kuantitas yang diukur.
2
Menurut : Dr. Tom Kenny, Department of Mechanical
Engineering, Stanford University makalahnya yang
berjudul “Basic Sensor Technology”
 Sensor
◦ A sensor is a device that converts a physical
phenomenon into an electrical signal.
◦ Strictly speaking, a sensor is a device that receives a
signal or stimulus and responds with an electrical signal
◦ In otherword, sensor Convert a Signal or Stimulus
(Representing a Physical Property) into an Electrical
Output

Transducer
◦ transducer is a converter of one type of energy into
another.
3


Transducer may be divided into two classes
: Input transducer and Output transducer
Example:
Electric-input transducer convert non-electric
energy, such as sound or light, into electric
energy. Electric-output transducer work in
reverse order. They convert electric energy to
form of nonelectric energy.
4
Electronic
Amplifier
Microphone
Suara 1
Listrik
Speaker
Suara 2
5
SENSOR
Sensor merupakan unsur dalam sistem mekatronika atau pengukuran yang
mendeteksi besarnya parameter fisik dan mengubahnya menjadi sinyal yang
dapat diproses oleh sistem
Kegunaan:
sebagai pengukur posisi, jarak,, ketegangan kekuatan, temperatur, akselerasi
getaran
PENGUKURAN POSISI & KECEPATAN
Proximity Sensor and Switch
adalah sensor untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu obyek.
Kegunaan :
-untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu garis pembimbing gerak robot atau
lebiah dikenal dengan istilah “Line Follower Robot “ atau “ Line Tracer Robot”,
- untuk mendeteksi penghalang berupa dinding atau penghalang lain pada Robot
Avoider
Potensiometer
: resistor tiga terminal dengan sambungan geser yang
membentuk pembagi tegangan dapat disetel
Kegunaan :
-untuk mengendalikan peranti elektronik seperti pengendali suara pada
penguat.
Linier Variable Differensial Transformer
suatu sensor yang bekerja berdasarkan prinsip trafo diferensial dengan
gandengan variabel antara gandengan variable antara kumparan primer
dan kumparan sekunder
1. LVDT adalah suatu sensor yang bekerja berdasarkan prinsip trafo diferensial
dengan gandengan variabel antara kumparan primer dan kumparan sekunder.
2. LVDT dapat digunakan sebagai sensor jarak dan sensor mekanik lainnya.
3. Sebelum menggunakan LVDT kita harus mengetahui daerah linier LVDT tersebut
pada tegangan eksitasi tertentu dan frekuensi tertentu.
4. Perubahan tegangan eksitasi akan menghasilkan tegangan yang berbeda untuk
tiap pergeseran jarak, tetapi tegangan eksitasi yang lebih besar akan
menghasilkan sensitivitas yang tinggi.
5. Perubahan frekuensi akan merubah koefisien dari daerah linieritas sensor, tetapi
daerah kerjanya tetap sama.
PENGUKURAN TEMPERATUR
1. Liquid-in-Glass Thermometer
* alat pengukur suhu nonelectrical
* menggunakan air raksa atau alkohol sebagai cairan pengisi karena air raksa
memiliki koefisien muai yang konstan.
* dapat mengukur suhu hingga 600° F
* umumnya bekerja pada °C dan °F
* KALIBRASI :
a. Termometer diletakkan di es yang sedang mencair
dan tandai poin termometer disaat seluruh es
tersebut berwujud cair seluruhnya. Poin ini adalah
poin titik beku air.
b. Dengan cara yang sama, tandai poin termometer
disaat seluruh air tersebut mendidih seluruhnya saat
dipanaskan.
2. Bimetallic Strip
• Menggunakan 2 / lebih logam dengan koefisien thermal yang berbeda (bi=2 , metall
=metal) yang dapat berfungsi sbg penunjuk suhu melalui kelengkungannya.
•PRINSIP KERJA
Bimetallic strip dikontakkan dengan object yang akan diukur perubahan suhunya.
Kemudian bimetallic strip akan melengkung jika terjadi perubahan suhu. Sinyal yang
berupa perubahan suhu tersebut akan disampaikan ke pointer melalui wire, sehingga
pointer dapat menunjukkan output yang berupa besarnya suhu yang terjadi.
Keuntungannya :
• Biaya murah
• Diabaikan pemeliharaannya
• Operasi stabil dari waktu ke waktu
Contoh Aplikasi di dunia industri :
Digunakan di industri pada proses heating.Bimetal digabungkan dengan rangkaian
PLC. Tugas PLC adalah sebagai controller on /off untuk pemanas dalam pengendalian
suhu. Jadi, pada saat suhu berada di bawah suhu yang diharapkan maka sinyal
output beralih dari tinggi menjadi rendah. PLC kemudian dapat diprogram untuk
menghasilkan sebuah output jika terjadi masukan rendah, dan output tersebut akan
digunakan untuk mengaktifkan pemanas. Sebaliknya, jika masukan tinggi maka
output PLC digunakan untuk mematikan pemanas
3. Resistance Temperature Device (RTD)
* Digunakan untuk menentukan nilai atau besaran suatu temperatur/suhu dengan
menggunakan elemen sensitif dari kawat platina, tembaga, atau nikel murni, yang
memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di dalam
kisaran suhunya.
Hubungan antara resistansi dan temperatur :
Dimana, :
R = tahanan konduktor pada T°C
Ro = tahanan konduktor pada temperatur awal
= koefisien temperatur tahanan
T-To = selisih antara temperatur kerja dan temperatur awal
Keunggulan sensor RTD dibandingkan dengan thermocouple :
•Tidak diperlukan suhu referensi
•Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang
kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi.
•Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel
•Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi
masalah
•Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi
sederhana dan murah.
4. Thermocouple
* Sensor ini terdiri dari dua kawat dari logamlogam yang berbeda yang kemudian dilas
(dikonneksikan) menjadi satu sama lain pada
salah satu ujungnya
.
Prinsip Kerja :
Prinsip kerja dari thermocouple menggunakan
efek seebeck ( Efek Seebeck adalah konversi energi panas menjadi energi listrik). Arus
listrik mengalir pada rangkaian tertutup dari 2 konduktor berbeda, apabila kedua
sambungan mengalami beda temperatur. Bila rangkaian dibuka maka akan muncul
tegangan Seebeck pada kedua terminal. jadi menurut efek seebeck ketika dua
konduktor yang berbeda menerima panas maka akan menimbulkan emf
(Electricmotive Force ) yang akan menimbulkan tegangan kecil dengan kisaran range 1
hingga 70 microvolt untuk setiap derajat kenaikan suhu. Dan kemudian akan
dikonversikan sesuai dengan reference table yang telah ada (table ini sesuai dengan
tipe dari thermocoupe yang dipakai).
PENGUKURAN GETARAN & PERCEPATAN
Piezoelectric
Konstruksi mereka terdiridari kristal bahan piezoelektrik
yangterpasang massa seismik.Ketika kristal ditekankan dalam
ketegangan atau kompresi, itumenghasilkan muatan listrik yang
sebanding dengan tingkat percepatan itu .
Kelemahan : - mereka tidakdapat digunakan untuk pengukuran
yang benar-benar statis.
PENGUKURAN GETARAN & PERCEPATAN
Piezoelectric
Konstruksi mereka terdiridari kristal bahan piezoelektrik
yangterpasang massa seismik.Ketika kristal ditekankan dalam
ketegangan atau kompresi, itumenghasilkan muatan listrik yang
sebanding dengan tingkat percepatan itu .
Kelemahan : - mereka tidakdapat digunakan untuk pengukuran
yang benar-benar statis.
Pengukuran Vibrasi dan Akselerasi
Akselerometer : sensor pengukur perubahan kecepatan akibat gerak,
getaran, maupun tumbukan. Desain akselerometer didasarkan pada efek
inersia yang berhubungan dengan massa terhubung ke objek bergerak
melalui pegas, peredam, dan perpindahan sensor.
Pengukuran Vibrasi dan Akselerasi
Accelerometers kualitas tertinggi yang dibangun menggunakan kristal
piezoelektrik, bahan yang deformasi hasil dalam polarisasi muatan di
kristal.
Dengan cara timbal balik, penerapan medan listrik dengan bahan
piezoelektrik menghasilkan deformasi.
Accelerometer piezoelektrik terdiri dari kristal dalam kontak dengan massa,
didukung dalam housing oleh pegas.
Tujuan untuk pegas pramuat adalah untuk membantu menjaga massa
berhubungan dengan kristal dan untuk menjaga kristal dalam kompresi,
yang dapat membantu memperpanjang masa pakainya.
Selain redaman alami yang melekat dalam kristal, redaman tambahan
kadang-kadang dimasukkan (misalnya, dengan mengisi housing dengan
minyak).
Pengukuran Tekanan dan Aliran
Tekanan:
Manometer
Vacuum gauge
Pengukuran Tekanan dan Aliran
Aliran
•Tabung pitot: mengukur perbedaan antara tekanan total dan statis dari
sebuah fluida bergerak.
•Venturi dan orifice meter berdasarkan pengukuran tekanan yang didapat
•Sebuah pitot tabung mengukur perbedaan antara tekanan total dan statis
cairan bergerak.
•Venturi dan orifice meter didasarkan pada pengukuran penurunan tekanan
di seluruh obstruksi yang mengalir.
•Pengukur aliran turbin mendeteksi laju aliran dengan mengukur tingkat
rotasi impeller dalam aliran.
•Pengukur aliran Coriolis massa mengukur laju alir melalui tabung U dalam
getaran rotasi.
•Kawat panas anemometers merasakan perlawanan perubahan dalam kawat
pembawa arus panas.
•Suhu dan resistensi dari kawat tergantung pada jumlah panas yang ditransfer ke
cairan bergerak.
•Koefisien perpindahan panas merupakan fungsi dari laju aliran.
•Laser doppler velocimeters (LDVs) merasakan frekuensi pergeseran sinar laser
tersebar dari partikel tersuspensi dalam cairan bergerak.
Sensor Semikonduktor dan perangkat
mikroelektromekanikal
•Perangkat mikroelectromechanical (MEM):
•Sensor MEM pertama dikembangkan menggunakan teknologi sirkuit terpadu untuk
memotong silikon dan menghasilkan sebuah perangkat yang menanggapi percepatan.
Ini terdiri dari kantilever silikon kecil dengan strain gage semikonduktor terpisahkan.
•Accelerometer MEM sekarang digunakan dalam mobil untuk mengontrol sistem
airbag.
Sensor Semikonduktor dan perangkat
mikroelektromekanikal
•Sifat semikonduktor yang merupakan dasar untuk berbagai kelas semi-konduktor
MEMS
•Karakteristik piezoresistif dari silikon terdoping, kopling antara resistensi
perubahan dan deformasi, merupakan dasar untuk strain gages semikonduktor
dan sensor tekanan.
•Karakteristik magnetik silikon terdoping, terutama efek Hall, merupakan dasar
dari transistor semikonduktor magnetik di mana arus kolektor dapat dipengaruhi
oleh medan magnet eksternal.
•Gelombang elektromagnetik dan radiasi nuklir menyebabkan efek listrik dalam
semikonduktor, membentuk dasar sensor warna cahaya dan detektor radiasi
lainnya.
•Sifat termal dari semikonduktor merupakan dasar untuk termistor, sensor
konduktivitas termal, sensor kelembaban, dan IC sensor suhu
Sensor Semikonduktor dan perangkat
mikroelektromekanikal
Permukaan gelombang akustik (Surface Acoustic wave/SAW) perangkat kelas penting
dari sensor MEM. Sebuah perangkat SAW terdiri dari substrat piezoelektrik datar
dengan pola logam melukiskan pd sepotong logam diendapkan pada permukaan.
Pola-pola ini membentuk transduser interdigital (IDTs).
Membantu lahirnya MMS (Micromeasurement System)

Akselerometer : sensor pengukur perubahan kecepatan
akibat gerak, getaran, maupun tumbukan. Desain
akselerometer didasarkan pada efek inersia yang
berhubungan dengan massa terhubung ke objek bergerak
melalui pegas, peredam, dan perpindahan sensor.
Referensi perpindahan accelerometer dan diagram benda
bebas


Sensor InfraMerah (InfraRed) terdiri atas sumber dan
penerima (receiver) cahaya infra-merah;
Sumber2 cahaya infra-merah:
◦ LED inframerah, dan.
◦ Laser inframerah.

Suatu penerima cahaya infra-merah termasuk:
◦ Pencacah foton (suatu sensor yang dapat mendeteksi sekitar 1
foton cahaya);
◦ Fotoresistor (CdS: resistansi menurun sejalan dengan
meningkatnya kuat cahaya);
◦ Fotodioda (dapat menghasilkan arus secara proporsional
terhadap cahaya yang diterima (sel matahari atau solar cells));
◦ Fototransistor (suatu saklar berbasis cahaya yang diterima,
lihat slide berikut !).
28

Cara kerja Fototransistor:
29


Sensor Proksimitas (Proximity): mendeteksi
keberadaan obyek reflektif (bisa
memantulkan cahaya), tetapi bukan jaraknya;
Macam-macamnya (berdasar arah datangnya
cahaya):
◦ Thru-the-beam : sangat searah dan dapat untuk
jarak jauh (< km);
◦ Retro-reflective: agak searah juga dapat untuk
jarak jauh;
◦ Diffuse-reflective:tidak searah (hamburan) cocok
untuk jarak-jarak dekat (~ cm).
30
31

Piranti optoelektronik yang lain:
◦ Opto-coupler: digunakan untuk mengisolasi sinyal
(cahaya) kendali pada suatu piranti 
menghilangkan efek loncatan tegangan;
◦ IR Remote Control: untuk menghindari interferensi
dengan sinar-sinar ambien, maka cahaya
inframerah yang dikirimkan dimodulasi, kemudian
demodulator pada penerima digunakan untuk
mendekodekan sinyal tsb.
◦ Pyroelectric Detector: ‘merasakan’ radiasi
inframerah pada jangkauan panas  misalnya suhu
tubuh, dll;
◦ IR Imager: sebuah kamera yang mampu ‘melihat’
panas  night vision camera, memeriksa alat, dst.
32
33

Sensor ultrasonik menggunakan kombinasi
mikrofon dan/atau speaker (capacitive
transducer) untuk mengirimkan suatu pulsa
suara dan mengukur berapa lama pulsa
suara yang dikirimkan diterima kembali oleh
speaker;
34

Berdasar gambar pada slide sebelumnya:
jarak yang ditempuh adalah 2d:
2d = Vs * (Δt)
◦ Vs = 346,867 meter/detik di udara
◦ Vs = 1534,382 meter/detik di air laut


Piranti elektrostatis untuk jangkauan 20 kHz
hingga 50 kHz (frekuensi rendah);
Piranti pizoelektrik untuk jangkauan
frekuensi minimal 600 kHz (frekuensi
rendah);
35

Adanya faktor penurunan daya pulsa suara :

Io
I
4 R 2
Dan juga serapan molekular:
I  I 0 e  R
◦ Dengan α merupakan koefisien pelemahan yang
bergantung pada frekuensi (frekuensi2 tinggi akan
beratenuasi secara cepat);
◦ R adalah jarak dari sumber suara.
36

Persamaan keseluruhan :
 R

Io e
I
4 R 2
Adanya koefisien pantulan Kr dan
kenyataanya bahwa gelombang harus
melakukan perjalanan ulang setelah
dipantulkan, sehingga:
I o e 2 R
I
Kr
2
16 R
37

Kr adalah koefisien pantulan atau
perbandingan antara intensitas pantulan
terhadap intensitas cahaya datang:
I r  Za  Zo 


I i  Za  Zo 
◦ Za : impedansi akustik di udara;
◦ Zo : impedansi akustik objek.
Kr 

Antara Za dan Zo semakin sama,
pantulan semakin berkurang !
38

Isu-isu implementasi:
◦ Permukaan miring (pantulan tidak ke arah
penerima);
◦ Permukaan tidak rata (efek hamburan);
◦ Pada sensor Polaroid dibatasi kemiringan s/d 25°;
39


Sensor Wide-beam (lebar)  bisa
menampung pantulan lebih lebar, namun
kehilangan sifat direksionalitas (posisi
kurang akurat);
Sensor Narrow-beam (sempit)  harus
mendekati tegak lurus, namun posisi
bisa lebih akurat;
40
41

Bi-Metal Thermostat
◦ two different metals bonded together under heat and
pressure to form a single strip of material.
◦ By employing the different expansion rates of the two
materials, thermal energy can be converted into electromechanical motion

Bulb and capillary thermostats
◦ make use of the capillary action of expanding or
contracting fluid to make or break a set of electrical
contacts.
◦ The fluid is encapsulated in a reservoir tube that can be
located 150mm to 2000mm from the switch.
◦ This allows for slightly higher operating temperatures than
most electro-mechanical devices.
42

Infrared (IR) pyrometry
◦ All objects emit infrared energy provided their temperature
is above absolute zero (0 Kelvin). There is a direct
correlation between the infrared energy an object emits and
its temperature.
◦ IR sensors measure the infrared energy emitted from an
object in the 4–20 micron wavelength and convert the
reading to a voltage. Typical IR technology uses a lens to
concentrate radiated energy onto a thermopile. The
resulting voltage output is amplified and conditioned to
provide a temperature reading.
◦ Factors that affect the accuracy of IR sensing are
 reflectivity (the measure of a material’s ability to reflect infrared
energy),
 transmissivity (the measure of a material’s ability to transmit or
pass infrared energy), and
 emissivity (the ratio of the energy radiated by an object to the
energy radiated by a perfect radiator of the surface being
measured).
43

Thermocouples
◦ formed when two electrical conductors of dissimilar metals
or alloys are joined at one end of a circuit.
◦ All thermocouples have what are referred to as a “hot” (or
measurement) junction and a “cold” (or reference) junction.
One end of the conductor (the measurement junction) is
exposed to the process temperature, while the other end is
maintained at a known reference temperature.
◦ The cold junction can be either a reference junction that is
maintained at 0°C (32°F) or at the electronically
compensated meter interface.
◦ When the ends are subjected to different temperatures, a
current will flow in the wires proportional to their
temperature difference. Temperature at the measurement
junction is determined by knowing the type of
thermocouple used, the magnitude of the millivolt
potential, and the temperature of the reference junction.
44
45


Thermistors
◦ or thermally sensitive resistors are devices that change their
electrical resistance in relation to their temperature. They typically
consist of a combination of two or three metal oxides that are
sintered in a ceramic base material and have lead wires soldered
to a semiconductor wafer or chip, which are covered with epoxy or
glass.
Thermistors are available in two different types: positive
temperature coefficient (PTC) and negative temperature
coefficient (NTC).
◦ PTC devices exhibit a positive change or increase in resistance as
temperature rises, while
◦ NTC devices exhibit a negative change or decrease in resistance
when temperature increases. The change in resistance of NTC
devices is typically quite large, providing a high degree of
sensitivity.
◦ They also have the advantage of being available in extremely
small configurations for extremely rapid thermal response.
46

RTDs (resistive temperature devices),
◦ like thermistors, employ a change in electrical resistance to
measure or control temperature.
◦ RTDs consist of a sensing element, connection wires
between the element and measurement instrument, and a
support for positioning the element in the process.
◦ The metal sensing element is an electrical resistor that
changes resistance with temperature. The element usually
contains a coil of wire or conductive film with conductors
etched or cut into it. It is usually housed in ceramic and
sealed with ceramic cement or glass.
47
48
49