Strain Gauge - Laboratorium Fisika Dan Instrumentasi

STRAIN GAUGE
OLEH :
HERYANTO JOYOSONO : 0822021
LORDIAN SUSILO
: 0822022
JEFFRY
: 0822023
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN ELEKTRO
UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHA
BANDUNG
2011
I. Dasar Teori
Strain Gage adalah komponen elektronika yang dipakai untuk mengukur tekanan
(deformasi atau strain). Alat ini berbentuk foil logam atau kawat logam yang bersifat
insulatif (isolasi) yang ditempel pada benda yang akan diukur tekanannya, dan tekanan
berasal dari pembebanan. Prinsipnya adalah jika tekanan pada benda berubah, maka foil
atau kawat akan terdeformasi, dan tahanan listrik alat ini akan berubah. Perubahan
tahanan listrik ini akan dimasukkan kedalam rangkaian jembatan Whetstone yang
kemudian akan diketahui berapa besar tahanan pada Strain Gage. Tegangan keluaran dari
jembatan Wheatstone merupakan sebuah ukuran regangan yang terjadi akibat tekanan
dari setiap elemen pengindera Strain Gage. Tekanan itu kemudian dihubungkan dengan
regangan sesuai dengan hukum Hook yang berbunyi : Modulus elastis adalah rasio
tekanan dan regangan. Dengan demikian jika modulus elastis adalah sebuah permukaan
benda dan regangan telah diketahui, maka tekanan bisa ditentukan..Hukum Hook
dituliskan sebagai :
E
σ = s …………………………………………….(1)
dimana
σ = regangan, Δl/l (tanpa satuan)
s = tegangan geser , kg/cm2
E = modulus Young , kg/cm2
Bila dua gage atau lebih digunakan, maka tekanan pada pelacakan arah setiap
gage bisa ditentukan dengan menggunakan perhitungan. Namun demikian persamaannya
memiliki tingkat kompleksitas yang berbeda tergantung pada kombinasi dan orientasi
gage tersebut.
Kepekaan sebuah Strain Gage disebut dengan faktor gage dan perbandingan
antara unit resistansi dengan perubahan unit panjang adalah :
Faktor gage K =
Dimana :
∆R/R
∆l/l
…………..(2)
K = Faktor gage
ΔR = Perubahan tahanan gage
Δl = Perubahan panjang bahan
R = Tahanan gage nominal
l = Panjang normal bahan
Jadi regangan diartikan sebagai perbandingan tanpa dimensi, perkalian unit
yang sama, misalnya mikroinci / inci atau secara umum dalam persen (untuk deformasi
yang besar) atau yang paling umum lagi dalam mikrostrain.
Perubahan tahanan ΔR pada sebuah konduktor yang panjangnya l dapat dihitung
dengan
menggunakan
persamaan
bagi
tahanan
dari
sebuah
penampangnya serba sama, yaitu :
R= ρ
dimana :
Panjang
Luas
=
ρxl
π
4
( )d2
…………….(3)
ρ = tahanan spesifik dari bahan konduktor
l = panjang konduktor
d = diameter konduktor
Karakteristik Strain Gauge
Karakteristik dari filamen adalah sebagai berikut :
1) Faktor Gage tertinggi
2) Koefisien suhu resistansi rendah
3) Resitivitas tinggi
4) Kekuatan mekanis tinggi
5) Potensial termo listrik minimum disekitar lead
konduktor
yang
Bahan- bahan yang bisa dijadikan Strain Gauge
Berbagai jenis bahan tahanan telah dikembangkan untuk pemakaian dalam gagegage kawat dan foil, seperti:
a. Constantan adalah paduan (alloy) tembaga-nikel dengan koefisien temperatur
rendah. Biasanya Constantan ditemukan dalam Gage yang digunakan untuk
strain dinamik, dimana perubahan level strain tidak melebihi ± 1500 μcm/cm.
Batas temperatur kerja adalah dari 10 oC sampai 200oC.
b. Nichrome V adalah paduan nikel-chrome yang digunakan untuk pengukuran
strain statik sampai 375 oC. dengan kompensasi temperatur, paduan ini dapat
digunakan untuk pengukuran static sampai 650 oC dan pengukuran dinamik
sampai 1000 oC.
c. Dynaloy adalah paduan nikel-besi dengan Faktor Gage yang rendah dan
ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan. Bahan ini digunakan untuk
pengukuran strain dinamik bila sensitivitas temperatur yang tinggi dapat di
tolerir.
d. Stabiloy adalah paduan nikel-chrome yang dimodifikasi dengan rangkuman
kompensasi temperatur yang lebar. gage ini memikiki stabilitas yang sangat
baik dan temperatur cryogenic sampai sekitar 350 oC dan ketahanan yang
baik tehadap kelelahan.
e. Paduan-paduan platina tungsten memberikan stabillitas yang sangat baik dan
ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan pada temperatur tinggi. Gages ini
disarankan untuk pengukuran uji static sampai 700 oC dan pengukuran
dinamik 850 oC.
Beberapa Jenis Strain Gauge
Jenis-jenis dari Metal Foil Strain Gage
a) Rosette 90o yang dapat mengukur aksial dan regangan trasfer sekaligus.
Variasi desain ini adalah stress gage dimana dua elemen meliliki tahanan
yang berbeda. Tahanan juga di pilih sehingga hasilnya memberikan sebuah
sensor yang keluarannya sebanding dengan takanan dan keluaran elemen
aksial sebanding dengan regangan.
b) Rosette 45o memberikan reaksi angular lebih besar dari rosette 90o
c) Rosette 60o
II.
Percobaan
i.
Percobaan Nilai Hambatan Sensor
Percobaan untuk mencari nilai hambatan kami lakukan pertama
karena untuk mencari nilai regangan sangat sulit. Nilai regangan berkisar
dibawah satu mili. Oleh karena itu kami mencari nilai hambatan terlebih
dahulu baru menghitung nilai regangannya.
Gambar percobaan untuk mengukur beban:
Tabel hasil percobaan:
Beban
Hambatan
0 gram (Kondisi Awal)
120,4 Ω
500 gram
120,5 Ω
1000 gram
120,7 Ω
1500 gram
120,8 Ω
2000 gram
120,9Ω
2500gram
121 Ω
Grafik hambatan terhadap beban:
ii.
Perhitungan perancangan jembatan WheatStone
Sebelum kita melakukan percobaan,kita akan terlebih dahulu
melakukan perhitungan terhadap rangkaian dibawah ini untuk mengetahui
nilai resistor–resistor yang kita butuhkan
Dari rangkaian diatas ini yang kita inginkan adalah ketika jembatan
diatas ini dalam keadaan setimbang nilai dari Vg =0.Seperti kita ketahui
bahwa strain gauge yang kita gunakan pada percobaan ini memiliki
resistansi sebesar 120Ω.Untuk mencari nilai resistansi ,kita masukkan
kedalam rumus berikut:
Vg=
𝑅3
𝑅1+𝑅3
0=
𝑅3
Vin−
Vin−
𝑅1+𝑅3
𝑅4
Vin
𝑅2+𝑅4
𝑅4
Vin
𝑅2+𝑅4
𝑅3
Vin=
𝑅1+𝑅3
𝑅4
Vin
𝑅2+𝑅4
Dari persamaan diatas maka didapat rumus:
R1.R4=R2.R3
Kita tahu bahwa R4=120 Ω(tahanan dari strain gaguenya. Kita ambil
gunakan R2 dan R3 sebesar 118.4Ω, maka nilai R1:
R1 
118.4  118.4
120
R1  116.8213
Pada percobaan kami menggunakan R1 yang terdiri dari resistor
120Ω yang diparalelkan dengan potentiometer 10kΩ. Hal ini kami lakukan
untuk memperoleh hambatan sebesar 116.8213 yang akurat.
iii.
Perhitungan Perancangan System pengolah siyal analog
Pada percobaan ini kami menggunakan instrumentasion amplifier,
karena tegangan yang didapat dari jembatan Wheatstone merupakan selisih
nilai tegangan. Kriteria yang kami inginkan adalah saat strain gage diberi
beban seberat 2kg, maka system akan memberikan output tegangan sebesar
5V. Untuk mendapatkan nilai hambatan bisa menggunakan rumus:
Faktor gage K =
Dimana :
∆R/R
∆l/l
…………..(2)
K = Faktor gage
ΔR = Perubahan tahanan gage
Δl = Perubahan panjang bahan
R = Tahanan gage nominal
l = Panjang normal bahan
Nilai Faktor Gage adalah 2.1, nilai ini didapat dari datasheet
sensor.
Tahanan nominal adalah 120Ω nilai ini juga diperoleh dari
datasheet. Karena nilai regangan yang sangat kecil, maka kami tidak
mampu mendapatkan besarnya perubahan tahanan menggunakan rumus.
Oleh sebab itu kami langsung melakukan percobaa untuk mecari nilai
hambatan. Nilai regangan bisa dilihat pada perhitungan di bawah ini:
K
R
l
R
R
l
120
l
7 .8
2.1l R

7 .8
120
2 .1 
R  121 120
120  2.1l  7.8 1
252l  7.8
l  0.030952380952381 cm
Setelah mengetahui nilai hambatan pada saat diberi beban 2 Kg,
maka sekarang kami akan mencari nilai Vg (nilai selisih tegangan pada
titik C – D pada gambar). Perhitungannya dan gambar bisa dilihat di
bawah ini:
 R4
R3 
Vin
V g  Vd  Vc  

R

R
R

R
2
4
1
3


121
118.4


V g  Vd  Vc  

5
 121  118.4 118.4  116.8213 
118.4 
 1
V g  Vd  Vc  

5
 482 235.2213 
Vg  Vd  Vc  0.010373443
Vin yang digunakan adalah 5V.
Sekarang kami telah mendapatkan nilai Vg, nilai Vg perlu diperkuat
untuk memperoleh Vout sebesar 5 V, maka kami akan menggunakan
Instrumentation Amplifier dan penguat inverting. Perhitungannya bisa
dilihat dibawah ini:

Mencari total penguatan yang diperlukan:
Vo
Vi
Av 
Av 
5
0.010373443
Av  482 kali

Desain
instrumentation
amplifier
untuk
penguatan
470
kali.Untuk instrumentation amplifier digunakan IC LM741,
Gambar rangkaian bisa dilihat dibawah ini:
Perhitungan penguatan instrumentation amplifier bisa dilihat
dibawah:
Vo 
R2
 V2  V1 
R1
dengan
V2  Vd
V1  Vc
Vo
R
 2
V2  V1  R1
Av 
R2
R1
482 
R2
1k
R2  482  1k
R2  482k  560k
Kami menggunakan resistor
560k, karena nilai
resistor tersebut ada di pasaran jadi penguatan yang dihasilkan
adalah:
Av 
R2
R1
Av 
560k
1k
Av  560kali
iv.
Pengujian Sensor Strain Gauge

Alat dan bahan :
1. Power supply (2 buah)
2. Avometer digital (1 buah)
3.Resistor 1Ω (3 buah), 120Ω (2buah), 560kΩ (2buah), 1kΩ (2buah).
4.Potensiometer 10k Ω
5.Strain gauge 120Ω (1buah)
6.IC LM741 (4 buah)

Data percobaan
Beban
V (tanpa op amp)
V (dengan op amp)
500 gram
1.9 mV
0.95 V
1000 gram
3.2mV
1.62 V
1500 gram
4.5 mV
2.25 V
2000 gram
5.7 mV
2.85 V
2500 gram
7 mV
3.54V

Sensitivitas Perbandingan input dan ouput
Pada saat beban karakteristik maksimum (2 kg)
𝑉 𝑜𝑢𝑡
𝑉 𝑖𝑛
𝑥 100% =
2,85 𝑉
5𝑉
𝑥 100% = 𝟓𝟕 %
III.
Kesimpulan :
Strain gauge adalah sensor strain yang mengubah regangan menjadi hambatan,
kemudian dengan rangkaian Jembatan Wheatstone dikonversi menjadi Tegangan namun
karena tegangan yang dihasilkan sangatlah kecil (skala mili Volt) dibutuhkan rangkaian
Penguat sehingga sensor starin gauge dapat menjadi actuator.
Penguatan berkuarang karena terkena pengaruh dari ketidak idealan op-amp.
Perhitungan V g berbeda dengan hasilk perhitungan disebabkan karena toleransi resistor
dan perubahan nilai resistor karena pengaruh panas pada saat disolder. Untuk
memperoleh tegangan output 5v maka diperlukan penguatan sebesar 877 kali.