BAB II - Perpustakaan Digital ITB

6
BAB II
TEORI DASAR DETEKSI JARAK MENGGUNAKAN INFRA
MERAH DAN ULTRASONIK
Berbagai jenis robot telah muncul, berbagai fungsi robot telah dibuat, baik robot
untuk kepentingan science seperti robot yang dikirim ke planet mars maupun
untuk kepentingan sosial seperti robot pemadam kebakaran dan sebagainya.
Teknologi sensor telah mempermudah ekspansi fungsi pembuatan robot ini,
karena fungsi robot langsung berkaitan dengan kemampuan sensingnya. Misalkan
robot pemadam api, haruslah memiliki sensor deteksi api atau panas, dan robot
kucing haruslah memiliki pola sensing dan perilaku seperti kucing. Secara umum,
setiap robot haruslah mempunyai kemampuan deteksi keadaan, pengolahan data
dari keadaan tersebut dan melakukan tindakan yang sesuai dengan keadaan yang
dibacanya. Misalnya robot navigasi, haruslah mempunyai kemampuan untuk
deteksi wilayah yang dilaluinya (pengukuran jarak antara robot dengan bendabenda sekitar robot), kemampuan untuk memilih jalan yang terbaik secara
matematis dan tidak menjadi tersesat, dan tentu saja kemampuan untuk berjalan
dan bergerak sesuai yang diinginkan.
Robot yang kami rancang bersama adalah robot navigasi, yang tujuan
pembuatannya adalah untuk mencapai suatu titik tertentu yang diharapkan,
dimulai dari titik lain yang diketahui koordinat relatifnya terhadap titik tujuan,
dengan melewati rintangan-rintangan diantara 2 titik tersebut . Untuk keperluan
tersebut, dibutuhkan suatu kemampuan untuk deteksi rintangan, kemampuan
untuk analisis pola rintangan dan memilih jalur untuk robot itu sendiri,
kemampuan mengingat jalur yang sudah dilalui sambil tetap memperhitungkan
jarak dan arah ke tujuan, serta kemampuan untuk bergerak ke titik tujuan tersebut.
Ke 4 fungsi tersebut kemudian dikerjakan oleh anggota kelompok tugas akhir
robotik ini yang berjumlah 4 orang, dan masing-masing mendapat tugas 1 fungsi
dasar robot.
Gambar 2.1
Kinerja Robot
Bagian yang saya kerjakan adalah fungsi deteksi rintangan, yaitu membaca jarak
rintangan-rintangan yang ada di depan robot di kuadran I dan II koordinat
kartesius. Untuk deteksi ini, dibutuhkan suatu sistem pengukuran jarak oleh robot.
Sensor-sensor yang biasa digunakan untuk pengukuran jarak yaitu :
1.
Sensor potensiometrik, sensor ini mengukur hambatan listrik yang sebanding
dengan panjang kawat. Sensor ini tidak bisa digunakan karena mengharuskan
adanya hubungan kawat konduktor dari robot ke setiap rintangan (obstacle)
dan membentuk loop tertutup dengan sistem deteksi pada robot.
7
2.
Sensor kapasitif, mengukur kapasitansi yang berbanding terbalik dengan
jarak. Sensor ini juga tidak bisa digunakan untuk deteksi jarak obstacle
disebabkan selain harus ada plat elektroda di tiap obstacle, juga karena jarak
terlalu besar untuk menghasilkan kapasitansi yang dapat terukur.
3.
Sensor LVDT dan eddy current, mengukur induktansi magnetik dari
penambahan inti besi di antara 2 induktor berhadapan. Sensor ini tidak juga
tidak bisa dipakai karena mengharuskan adanya inti besi yang menjangkau
tiap obstacle.
4.
Sensor optik, mengukur jarak dengan membaca intensitas pantulan cahaya
terhadap bidang yang diukur jaraknya terhadap sensor. Kelemahan sensor ini
adalah jarak deteksi yang dekat, karena pengurangan intensitas sebanding
dengan kuadrat pertambahan jarak.
5.
Sensor jarak menggunakan ultrasonik, mengukur jarak dengan menghitung
waktu pantul oleh bidang yang akan diukur jarak relatif terhadap sensornya,
dimulai dari saat sinyal ultrasonik ditransmisikan. Bersama dengan sensor
infra merah, sistem deteksi jarak dibuat secara bersama untuk pengukuran
jarak dekat dan jauh sekaligus.
8
2.1 Infra Merah
Gambar 2.2
Spektrum cahaya tampak (Encarta Encyclopedia,
©Microsoft Corporation, 2007)
Infra merah merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang
sekitar 700-900 nm yang sedikit lebih panjang dari cahaya warna merah sehingga
tidak mampu dilihat secara langsung oleh mata manusia (panjang gelombang
semakin memendek mulai dari warna merah hingga ke warna biru). Gelombang
elektromagnetik
sendiri
dikelompokkan
berdasarkan
frekuensi/panjang
gelombangnya sebagai : sinar gamma, sinar-x, ultra violet, selang sempit cahaya
tampak, infra merah, gelombang radar, serta gelombang tv dan radio. Sinar infra
merah sendiri secara natural dihasilkan melalui peristiwa black-body radiation
yang menjelaskan bahwa sinar infra merah akan lebih banyak dihasilkan oleh
benda yang lebih panas dibandingkan dengan benda yang lebih dingin. Atas
alasan tersebut, infra merah banyak digunakan dalam sistem deteksi kebakaran
serta sistem keamanan yang “melihat” keberadaan orang (makhluk hidup) dalam
suatu ruangan. Bentuk yang lebih advance dari sistem infra merah ini berupa
kamera infra merah yang dapat mengukur suhu suatu objek secara non-destructive
pada jarak yang cukup jauh dari objek, serta infrared spectroscopy untuk
mendeteksi unsur-unsur pembentuk suatu bahan.
9
Sebenarnya sinar infra merah itu sendiri dibagi menjadi 3 wilayah, wilayah
pertama yang biasa disebut sebagai near infrared region memiliki panjang
gelombang antara 700-2000 nm, wilayah kedua yaitu middle infrared region
memiliki panjang gelombang antara 2000-20000 nm, dan terakhir adalah far
infrared region yang memiliki panjang gelombang 20000-100000 nm. Sumber
infra merah sendiri terdiri dari 2 jenis, yaitu sumber termal dan sumber kuantum.
Sumber termal infra merah adalah dari semua benda dengan temperatur diatas 0 K
mutlak, yang energi/intensitasnya ditentukan melalui hukum Planck tentang
radiasi serta tergantung dari temperatur absolut objek tentunya. Persamaan Planck
untuk black body radiation ini yaitu :
L (λ , T ) =
2hc 2
λ
5
1
∗
e
hc
λkT
−1
(2.1)
Dimana L(λ,T) adalah radiansi spektral (energi yang dihasilkan dari permukaan
bendahitam pada suatu satuan sudut radiasi per satuan waktu dan per satuan
panjang gelombang), dengan h adalah tetapan Planck, λ adalah panjang
gelombang, k merupakan konstanta Boltzmann, serta c merupakan kecepatan
cahaya di ruang vakum. Maksimum lokal spektrum radiasi ini tergantung pada
temperatur objek, yang pergeseran maksimum lokalnya terhadap temperatur
dijabarkan dalam hukum Wien, yang dapat diturunkan dari persamaan 1 di atas
dengan menurunkan dL/dλ =0 , sehingga dihasilkan :
λmax =
2898
( µm)
T
(2.2)
10
Gambar 2.3
Pergeseran Wien (Wikipedia)
Sebagai contoh, benda dengan suhu sekitar suhu ruangan 293 K (20°C) memiliki
intensitas radiasi maksimum pada panjang gelombang ≈ 10 µm.
Emitansi total (M(T)) yaitu energi yang dipancarkan oleh bendahitam pada suatu
ruang sferis pada suhu tertentu per satuan waktu sebesar :
M (T ) = σ .T 4
(2.3)
dengan σ =5,67 .10-8 Wm-2K-4, yang dikenal sebagai tetapan Stefan-Boltzmann.
Secara umum, benda tidak hitam memancarkan energi emitansi lebih kecil dari
pada bendahitam, rasio emitansi antara kedua jenis benda ini disebut sebagai
emisifitas ε yang nilainya antara 0 hingga 1.
11
Pengukuran infra red secara termal akan menuntun kepada pengukuran suhu
benda atau untuk “melihat” benda bersuhu sangat tinggi seperti disinggung di
paragraf sebelumnya.
Sumber lain dari infra merah adalah sumber kuantum yang contohnya adalah LED
(Light Emitting Diode) infra merah dan laser. Intensitas infra merah yang
dihasilkan oleh sumber kuantum ini tidak tergantung pada suhu sumber, sehingga
tidak dapat digunakan untuk mendeteksi temperatur benda/objek. Pada LED, yang
merupakan salah satu sumber gelombang kuantum, panjang gelombang
elektromagnetik dihasilkan dari rekombinasi pasangan elektron-lubang pada
sambungan PN di dioda, yang lebih lengkapnya akan dibahas pada subbab
berikutnya beserta detektor infra merah.
Gambar 2.4
Absorpsi dan emisi foton (Encarta Encyclopedia,
©Microsoft Corporation, 2007)
12
2.1.1 Sumber Infra Merah dan Detektor Infra Merah
Sumber termal memiliki intensitas yang rendah pada suhu kamar, sehingga
pengukuran jarak menggunakan intensitas dari sumber ini akan sulit dilakukan,
oleh karena itu, dipilihlah sumber kuantum berupa LED infra merah yang dapat
menghasilkan intensitas cukup tinggi serta infra red phototransistor sebagai
detektornya.
2.1.1.1 LED infra merah
Gambar 2.5
LED infra merah (Fairchild Semiconductor)
LED merupakan dioda, yang memiliki karakteristik yang sama dengan dioda pada
umumnya yang hanya dapat dialiri arus pada arah tertentu saja, namun memiliki
kemampuan untuk memancarkan foton jika ada arus yang melaluinya.
Dioda terdiri dari sambungan PN (positif negatif) yang bekerja sebagai berikut :
13
it
ir
Energi
elektron
εF
Pita
Terlarang
Daerah
Deplesi
Gambar 2.6
Cara kerja dioda ( Halliday-Resnick)
14
1.
Gambar paling atas merupakan keadaan dioda tanpa beda potensial dari luar,
gambar di bawahnya menunjukkan pita energi dioda dalam keadaan tersebut.
Pada keadaan ini, sedikit elektron secara termal tereksitasi pada daerah p dan
terlempar ke daerah n hingga kehilangan energi karena tumbukan, pada saat
bersamaan, elektron yang berada di daerah-n yang memiliki cukup energi
untuk loncat ke daerah-p untuk berrekombinasi dengan hole di daerah-p. Arus
oleh eksitasi termal it besarnya hampir sama dengan arus rekombinasi ir
sehingga arus netto mendekati nol
2.
Gambar ke-tiga merupakan dioda dengan sisi n dihubungkan dengan
potensial negatif, dan sisi p dihubungkan dengan potensial positif. Pada
keadaan ini, beda potensial dari luar menurunkan tingkat energi yang
dibutuhkan untuk elektron berekombinasi, sehingga ir membesar, kemudian
tercipta lubang-lubang baru yang diakibatkan oleh pemindahan elektron pada
ujung positif, sedangkan elektron terus ditambahkan di ujung negatif. Lubang
bermigrasi ke kanan ke daerah dekat sambungan sedangkan elektron ke arah
kiri di bawah pengaruh potensial yang dipasang. Elektron dan lubang
berekombinasi di daerah sekitar sambungan p-n. Keadaan ini disebut sebagai
panjar maju, dimana arus eksternal diperkenankan mengalir melalui dioda.
3.
Gambar
paling
bawah
merupakan
keadaan
ketika
daerah-p
dioda
dihubungkan ke potensial negatif sedangkan ujung n dihubungkan ke
potensial positif. Beda potensial yang diberikan akan menarik lubang ke
sebelah kiri, ke ujung positif, dan menarik elektron ke kanan ke ujung negatif,
sehingga terjadi daerah deplesi yang lebar. Pair generation di daerah
15
sambungan sedikit sekali terjadi oleh eksitasi termal. Keadaan ini disebut
sebagai panjar mundur. Tidak seperti pada panjar maju, yang mengalami
banyak rekombinasi, yang mengakibatkan pada keadaan ini tidak banyak
elektron yang bisa melintasi sambungan p-n sehingga keadaan ini tidak
banyak melewatkan arus.
LED memiliki karakteristik dimana saat terjadi rekombinasi antara elektron dan
lubang disertai dengan pemancaran foton. Panjang gelombang foton yang
dihasilkan tergantung pada semikonduktor yang digunakan untuk membuat dioda
(LED) tersebut, sedangkan intensitasnya tergantung pada jumlah rekombinasi
elektron-lubang
yang
terjadi.
Untuk
keperluan
sumber
infra
merah,
semikonduktor yang digunakan pada sambungan p dan n di LED biasanya adalah
GaAs. Karakteristik fisis dari dioda diantaranya :
1.
Tegangan siku, yaitu tegangan dimana elektron mulai dengan mudah
berekombinasi dengan lubang di daerah sambungan p-n. Besar tegangan ini
untuk dioda GaAs sekitar 0,7 volt, dibawah nilai ini, hanya sedikit sekali arus
yang bisa mengalir melalui dioda.
2.
Non-linear. Dioda sedikit sekali mengalirkan arus jika beda potensial pada
panjar maju kurang dari 0,7 volt, namun di atas itu, nilai arus yang mengalir
meningkat dengan cepatnya.
3.
Arus panjar maju maksimum, merupakan arus maksimum yang diijinkan
yang merupakan batas aman sebelum dioda terbakar karena panas karena
aliran arus pada sambungan p-n yang terlalu besar.
16
4.
Tegangan maksimum panjar mundur, merupakan batas tegangan maksimum
panjar mundur dimana diatas nilai tegangan maksimum ini, dioda akan rusak
dikarenakan pelebaran tetap pada depletion layer.
5.
Waktu naik dan waktu turun. Tidak semua dioda merespon dengan cepat
terhadap tegangan untuk mengalirkan arus pada panjar maju. Setelah dikenai
beda potensial secara panjar maju, setelah beberapa mikrosekon baru arus
yang melewati dioda akan maksimum, begitu pula saat beda potensial
dihilangkan, baru setelah beberapa mikrosekon tidak ada lagi arus yang
melewati sambungan p-n dari daerah-n ke daerah-p.
2.1.1.2 Fototransistor infra merah
Gambar 2.7
Fototransistor beserta simbolnya (Faichild Semiconductor)
Fototransistor sama dengan transistor NPN lainnya, hanya saja arus juga
dihasilkan oleh eksitasi termal pada daerah-p. Gambar di atas merupakan betuk
dan simbol untuk transistor npn, dengan E merupakan emitter yang terhubung ke
potensial negatif, C merupakan kolektor yang terhubung dengan potensial positif,
dan B merupakan basis, yang dihubungkan pada potensial positif yang lain.
Transistor bekerja dengan cara sebagai berikut.
17
1.
Jika E dihubungkan dengan ujung negatif, maka E akan dipenuhi oleh
elektron bebas. Elektron bebas ini tidak akan berekombinasi dengan lubang di
B jika tidak memiliki cukup energi untuk meloncati sambungan p-n (B-E)
2.
Jika C dihubungkan dengan ujung positif, elektron di C akan dikeluarkan
melalui ujung positif tersebut, sehingga terjadi pengosongan elektron di C.
3.
Jika setelah itu, B dihubungkan pada suatu potensial sehingga beda potensial
antara B dan E cukup besar/diatas bukit potensial antara sambungan E dan B,
maka elektron bebas dari E akan mulai meloncati dinding dan berekombinasi
dengan lubang di B.
4.
Elektron-elektron yang telah masuk ke B kemudian meloncati barrier
potential antara sambungan B dan C yang mengakibatkan aliran elektron dari
B ke C yang kemudian keluar pada ujung negatif pada C.
Dari proses diatas, jelaslah bahwa untuk mengalirkan elektron dari E ke C
dibutuhkan suatu beda potensial yang membuat depletion layer antara B dan E
menipis atau dengan kata lain, turunnya tingkat energi yang dibutuhkan agar
elektron dapat loncat dari E ke B. Aliran elektron dari E ke C ini menghasilkan
arus konvensional dari C ke E.
Fototransistor bekerja dengan cara mempertipis depletion layer antara B dan E
melalui proses pair generation pada semikonduktor di base yang disebabkan oleh
radiasi cahaya yang masuk ke B. Sebelum menerima cahaya, lubang di B
berjumlah sedikit, sehingga sedikit sekali rekombinasi elektron-lubang pada daerah
18
sambungan B-E. Jika cahaya dengan panjang gelombang yang bersesuaian
menumbuk elektron pada atom-atom di B, akan terjadi pair production, yang
menyebabkan lubang di B bertambah, sementara itu elektron dari pair production
segera loncat ke C. Akibat dari bertambahnya jumlah lubang di B, depletion layer
antara B dan E menyempit, sehingga elektron dapat segera berekomendasi dengan
lubang di daerah sambungan B-E, dan kemudian elektron dilepaskan kembali
menuju C. Jumlah lubang yang terbentuk pada pair-production karena penyinaran
di B mempengaruhi jumlah elektron yang dapat dilewatkan dari E ke B, sehingga
semakin tinggi intensitas cahaya yang diterima, semakin banyak elektron yang
bisa mengalir dari E ke B ke C.
Panjang gelombang cahaya yang menjadi karakteristik dari fototransistor
ditentukan oleh bahan yang digunakan dalam pembuatan transistor, karena hanya
cahaya pada panjang gelombang yang bersesuaian dengan energi ikat elektron
pada atom yang dapat mengeksitasi elektron tersebut dari lintasannya menuju pita
konduksi.
Seperti halnya dioda, transistor juga memiliki karakteristik fisik sebagai berikut :
1.
Tegangan maksimum CE, yang merupakan batas maksimum tegangan antara
C dan E yang masih dapat menjaga elektron di E selama belum ada beda
potensial BE. Di atas tegangan ini, elektron dapat langsung loncat dari E ke B
lalu ke C tanpa tgangan BE, karena dinding potensial telah turun begitu jauh
oleh beda potensial yang diberikan pada CE.
19
2.
Tegangan maksimum BE. Sama halnya dengan dioda, sambungan BE juga
merupakan dioda, yang memiliki tegangan panjar maju maksimum.
3.
Tegangan maksimum CB, yaitu nilai dimana nilai di atas nilai ini akan
menyebabkan sumber elektron untuk C bukanlah dari E, melainkan dari B,
sehingga dapat merusak junction antara B dan C. (tegangan panjar mundur
maksimum)
20
2.1.2 Deteksi Jarak Menggunakan Transmitter dan Receiver Infra Merah
Tidak seperti ultrasonik yang mengukur jarak benda mengandalkan waktu tempuh
dari transmiter ke objek dan dipantulkan kembali ke receiver, deteksi infra merah
tidak bisa menggunakan waktu, karena kecepatan cahaya yang hampir tidak
mungkin untuk diukur oleh instrumen yang ada saat ini. Oleh karena itu,
kebanyakan penelitian mendasarkan pengukuran infra merah pada intensitasnya,
dengan sebagian kecil memanfaatkan pergeseran fasa untuk spektroskopi kristal.
Prinsip mendasar pengukuran intensitas infra merah ini kemudian saya
manfaatkan untuk memperkirakan jarak suatu objek didepan sistem pemancar dan
penerima infra merah. Asumsi awal untuk sistem ini yaitu bahwa tidak semua
gelombang infra merah yang dipancarkan dari pemencar diserap oleh objek.
Secara lengkap, prinsip kerja dari sistem yang saya buat yaitu :
1.
LED infra merah memancarkan sinar infra merah dengan intensitas yang
konstan dan lebih tinggi daripada intensitas maksimum infra merah yang
mungkin dimiliki oleh suatu ruangan ke arah depan sistem deteksi. Intensitas
konstan ini dihasilkan dengan memberikan tegangan konstan pada IR LED.
2.
Jika sinar infra merah yang dipancarkan bertemu suatu objek di depan
detektor, sebagian dari intensitasnya akan diserap oleh objek dan sebagian
lagi dipantulkan kembali menuju detektor infra merah. Semakin jauh benda
terhadap sumber infra merah, maka daya yang diterima benda akan berkurang
sesuai dengan kuadrat jarak tersebut.
3.
Nilai intensitas yang dipantulkan kembali oleh objek kemudian disimpan di
dalam memori mikrokontroller. Selanjutnya detektor membaca intensitas
21
ambien dengan menerima infra merah dari lingkungan saja, LED infra merah
dimatikan.
4.
Karena intensitas pantulan yang dibaca oleh detektor saat menerima sinar
pantul dari objek merupakan somasi antara infra merah ruangan dan infra
merah pantulan mutlak dari LED, maka dengan menghitung selisih antara
pengukuran pertama dengan kedua, kita dapatkan intensitas mutlak hasil
pantulan dari objek terhadap infra merah yang dipancarkan LED.
5.
Persamaan berikut dapat digunakan untuk menentukan jarak yang terukur.
R ≈ k∗
I0
I1
(2.4)
Dengan R menunjukkan jarak terukur, I0 merupakan intensitas maksimum
yang dipancarkan sumber, dan I1 merupakan intensitas mutlak hasil pantulan
infra merah dari led oleh benda, nilai k ditentukan setelah melalui kalibrasi,
yang ditentukan kemudian setelah alat siap diuji coba.
6.
Karena detektor memiliki batas kemampuan mengukur intensitas maksimum,
maka perlu ditentukan juga jarak minimum yang masih bisa dianggap valid
untuk pengukuran menggunakan metoda ini, yang akan disesuaikan dengan
data hubungan intensitas dan tegangan dari detektor secara nyata.
Berdasarkan prinsip kerja yang dipaparkan di atas, maka sistem yang dirancang
terdiri dari : pemancar infra merah dengan intensitas cukup kuat, detektor infra
merah yang memiliki sensitifitas yang sesuai untuk digunakan di tempat gelap
maupun cukup terang, analog to digital converter yang merubah nilai tegangan
22
dari detektor untuk diolah dalam mikrokontroller, mikrokontrollernya itu sendiri,
sistem display, serta tentu sumber tegangan yang stabil.
2.2
Sensor Ultrasonik
Gelombang bunyi adalah getaran dari partikel zat padat, zat cair atau juga gas
yang dilalui bunyi. Partikel-partikel tersebut bergetar disekitar titik setimbangnya
sehingga ikut menggetarkan partikel-partikel tetangganya. Aliran energi ini adalah
radiasi dari sumber bunyi berupa gelombang bunyi.
Gelombang bunyi merupakan bentuk energi mekanik yang hanya dapat ada di
dalam medium, tidak bisa di dalam vakum. Pada dasarnya, ada dua syarat untuk
membentuk getaran : harus ada yang bergetar dan harus ada gaya yang selalu
membuat yang bergetar itu kembali ke posisinya semula. Dengan kata lain,
haruslah ada massa dan elastisitas, seperti beban yang digantung pada pegas yang
terikat ujung atasnya pada dinding.
Gambar 2.8
Osilasi pegas (Wikipedia)
23
Konfigurasi seperti di atas dapat menghasilkan getaran pada benda w dengan
lintasan A-B-A-C-A-dst. Frekuensi getaran ini ditentukan oleh massa benda dan
koefisien pegas yang digunakan, melalui persamaan :
ω=
k
m
;
2π . f =
k
m
;
f =
1
2π
k
m
(2.5-7)
Kekuatan gelombang ditunjukkan oleh jarak antara titik puncak gelombang
dengan titik seimbangnya yang disebut sebagai amplitudo.
Hal yang sama juga terjadi pada alat musik akustik seperti gitar. Frekuensi gitar
ditentukan oleh tegangan senar (diatur oleh penegang senar dan oleh posisi tekan
oleh jari) yang analogi dengan koefisien pegas dan oleh ukuran (massa jenis)
senar. 2 senar dengan tegangan tali yang sama namun masing-masing memiliki
massa jenis berbeda akan memiliki frekuensi natural yang berbeda, senar yang
lebih ringan memiliki frekuensi yang lebih tinggi dari senar yang berat. Kekuatan
bunyi yang dihasilkan akan sesuai dengan kekuatan kita memetik gitar yang
menghasilkan amplitudo getaran maksimum dari gitar tersebut. Namun, senar
teregang saja tidak cukup untuk menghasilkan bunyi yang keras, untuk itu
dibuatlah bodi gitar untuk menguatkan bunyi yang dihasilkan dari senar gitar.
Dengan dasar yang sama, sensor ultrasonik dibuat.
Tidak semua getaran mekanik dapat didengar oleh manusia. Manusia dapat
mendengar hanya pada range frekuensi yang sempit, antara 16 getaran per detik
(16 Hz) hingga 20000 getaran per detik saja. Wilayah tersebut disebut wilayah
24
audibel. Getaran dengan frekuensi di bawah 20 Hz, disebut sebagai wilayah
subsonic, dan bunyi dengan getaran di atas 20 KHz disebut sebagai wilayah
ultrasonik.
Gambar 2.9
Spektrum akustik (Wikipedia)
Sensor ultrasonik kemudian dirancang agar dapat menghasilkan frekuensi getar di
wilayah ultrasonik. Secara umum, sensor ultrasonik ini dibuat untuk frekuensi
antara 20-50 kHz. Untuk membangkitkan getaran tersebut, digunakan material
yang bergetar jika diberi tegangan listrik, yaitu bahan piezoelectric. Bahan
piezoelektrik ini hanya mengalamai perubahan yang singkat saat diberi tegangan,
oleh karena itu, tegangan yang digunakan tidak boleh tegangan DC. Bahan ini
harus secara kontinu menghasilkan getaran dengan frekuensi tetap, sehingga arus
AC dengan frekuensi sesuai dengan frekuensi ultrasonik yang diinginkan harus
dibangkitkan untuk sensor ini.
Salah satu pembuat sensor ultrasonik adalah perusahaan Nippon Ceramic Co.,
Ltd. (NICCERA) dari Jepang. Perusahaan ini menggunakan bahan yang disebut
sebagai piezoceramic sebagai bahan utama sensornya.
25
Gambar 2.10
Penampang samping sensor ultrasonik dari NICCERA
(NICCERA, Co. Ltd)
Prinsip kerja dari sensor ini : Jika diberi tegangan AC dengan frekuensi yang
sesuai, elemen piezoelektrik terpolarisasi dari sensor secara mekanik akan
terdistorsi sebanding dengan voltase yang digunakan dan membangkitkan medan
bunyi. Sebaliknya, jika elemen ini dikenakan pada suatu medan bunyi, akan
menghasilkan tegangan yang sebanding dengan intensitas bunyi yang diterima dan
dengan frekuensi sama dengan frekuensi bunyi yang diterima.
Gambar 2.11
Prinsip kerja sensor ultrasonik (NICCERA Co. Ltd)
Efek diatas dapat di sempurnakan dengan menempelkan elemen tersebut pada
diafragma logam yang dikenal sebagai struktur unimorf. Fungsi dari diafragma ini
26
adalah sebagai pembentuk frekuensi natural dari gabungan elemen dan logam,
sehingga dapat beresonansi pada frekuensi yang sesuai. Jika tegangan sinyal
dikenai pada logam ini, akan menghasilkan tegangan lengkung, membentuk
getaran melengkung seperti gambar di atas. Jika frekuensi listrik yang dikenakan
beresonansi dengan vibrator logam ini, maka akan menghasilkan getaran bunyi
paling efektif dan efisien, sifat ini digunakan untuk transmitter. Jika getaran bunyi
yang diterima beresonansi dengan vibrator ini, maka logam getar lengkung ini
akan menghasilkan tegangan listrik paling efektif san efisien, sifat ini digunakan
untuk receiver.
Penyempurnaan dari sensor sederhana ini adalah dengan menambahkan kerucut di
atas logam getar lengkung dan pengemasan yang sesuai sehingga dapat berfungsi
sebagai penguat sinyal (seperti halnya badan kayu pada gitar). Penutup tabung
juga disesuaikan dengan frekuensi yang akan dibangkitkan, untuk mengurangi
pembentukan atau penangkapan noise akibat resonansi dengan partikel debu di
udara. Perusahaan Nippon Ceramic ini memproduksi beberapa jenis umum sensor
ultrasonik.
Gelombang yang dihasilkan bersifat menyebar, tidak seperti infra red atau laser.
Area deteksinya pun adalah daerah kerucut, sehingga jika daerah pantul berbentuk
cekung, akan menyulitkan bagi kita untuk mengetahui, apakah nilai waktu pantul
yang terdetksi adalah hasil pantul dari bidang yang tepat di depan, ataukah dari
bidang yang membentuk sudut cukup besar dari bidang tepat di depan. Namun
27
demikian, sensor ini memiliki karakteristik intensitas yang membantu mengurangi
kesalahan dan kesulitan tadi. Pola intensitas dan pola radiasi dari sensor ini :
Gambar 2.12
Pola intensitas radiasi dari sensor ultrasonik (Iwan
Setiawan, FT-UNDIP)
Tampak dari gambar tersebut, bahwa wilayah deteksi optimal hanya pada daerah
< 30° di depan sensor. Agar pengukuran cukup akurat, maka jarak maksimum
deteksi harus dibatasi, agar sinyal pantul memiliki intensitas yang masih lebih
besar dari sinyal pantul dari dinding di daerah > 30° di depan sensor, untuk itu,
dibutuhkan rangkaian komparator untuk menahan sinyal samping dan untuk
membatasi daerah deteksi.
Untuk pengukuran lebih lanjut, pola intensitas radiasi ini dapat dimanfaatkan
untuk pemetaan wilayah secara utuh dengan menggunakan banyak sensor
ultrasonik dan mengukur probabilitas intensitas pantul sebagai fungsi dari jarak
dan sudut sehingga didapat citra 3 dimensi dari daerah yang dipetakan. Untuk
proyek tugas akhir saya, karena hanya menggunakan sepasang transmitterreceiver saja, pengukuran yang dilakukan adalah pengukuran linear langsung dari
objek yang tepat di depan sensor tanpa menggunakan olah probabilitas.
28