BAB III SENSOR, PENGKONDISIAN SINYAL DAN AKUISISI DATA

BAB III
SENSOR, PENGKONDISIAN SINYAL DAN
AKUISISI DATA
III.1 Strain Gage
III.1.1 Strain, Stress dan Poisson’s Ratio
Ketika sebuah material menerima gaya tarik (tensile force) P, material akan
mengalami tekanan (stress) yang berhubungan dengan gaya yang dialaminya itu. Secara
proporsional dengan tekanan tersebut, penampang akan berkontraksi dan bertambah
panjang sebesar L dari panjang material mula-mula L.
Gambar 3. 1 Batang yang Mengalami Tarik dan Tekan [12]
Rasio dari pertambahan panjang dengan panjang mula-mula disebut tensile strain
dan dirumuskan sebagai berikut:
ε=
∆L
L
[12]
: Strain
L
: Panjang mula-mula
L
: Pertambahan panjang
77
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Perhatikan gambar bagian bawah dari Gambar 3.1. Apabila material menerima gaya
tekan (compressive force), maka material akan mengalami compressive strain yang
dirumuskan sebagai berikut:
ε=
− ∆L
L
[12]
Sebagai contoh, apabila sebuah gaya tarik membuat material dengan panjang 100mm
bertambah panjang sebesar 0,01mm, strain yang terjadi pada material tersebut adalah:
ε=
∆L 0,01
=
= 0,0001 = 100 × 10 − 6
L
100
[12]
Strain adalah bilangan absolut dan dituliskan dengan nilai numeriknya beserta ×10-6
strain, µ
atau µm/m.
Hubungan dari stress dan strain yang diinisiasikan pada sebuah material yang
menerima gaya dirumuskan oleh hukum Hooke sebagai berikut:
σ = Eε
[12]
: Stress
E
: Elastic modulus
: Strain
Stress diperoleh dengan mengkalikan strain dengan elastic modulus material. Ketika
material mengalami gaya tarik maka material akan memanjang pada arah axial dan juga
akan berkontraksi pada arah transversal. Perpanjangan pada arah axial dinamakan
longitudinal strain dan kontraksi pada arah transversal dinamakan transverse strain. Nilai
absolut dari perbandingan antara longitudinal strain dan transverse strain dinamakan
Poisson’s ratio, yang dirumuskan sebagai berikut:
v=
v
ε2
ε1
[12]
: Poisson’s ratio
1
: Longitudinal strain
2
: Transverse strain
∆L
∆L
(Gambar III.1)
atau −
L
L
∆D
∆D
(Gambar III.1)
atau −
D
D
78
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Poisson’s ratio berbeda-beda tergantung dari material. Berikut adalah propertiproperti dari material yang sering digunakan pada aplikasi industri, termasuk pada
property tersebut adalah Poisson’s ratio.
Tabel 3. 1 Mechanical Properties of Industrial Materials [12]
III.1.2 Prinsip Kerja Strain Gage
Setiap material memiliki hambatan yang spesifik. Sebuah gaya tarik (gaya tekan)
akan menambah (mengurangi) hambatan dengan menambah panjang (mengkontraksi)
material. Misalkan hambatan mula-mula adalah R dan strain menginisiasikan perubahan
hambatan sebesar R, maka kita dapat mengkonklusikan persamaan sebagai berikut:
∆R
∆L
= Ks
= Ks ⋅ ε
R
L
[12]
Dimana, Ks adalah gage factor, sebuah koefisien yang mengekspresikan sensitivitas dari
strain gage. Pada umumnya strain gage menggunakan copper-nickel atau nickel-chrome
alloy sebagai elemen resistif, dan gage factor yang dihasilkan dari alloy ini adalah sekitar
2. Walaupun strain gage mampu mendeteksi besarnya strain yang terjadi pada elemen dan
mengkonversi mekanisme strain ini menjadi perubahan hambatan listrik, tetapi karena
strain merupakan fenomena infinitesimal yang tak nampak, jadi perubahan hambatan
yang terjadi sangat kecil. Agar hambatan listrik yang kecil ini mampu untuk dihitung,
maka diperlukan suatu amplifier dengan menggunakan sirkuit elektris yang disebut
dengan jembatan Wheatstone.
79
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.3 Jenis-Jenis Strain Gage
Terdapat bermacam-macam jenis strain gage. Dari jenis elemen resistifnya, strain
gage di bagi atas [27] :
1. Foil Strain Gage (Cu-Ni alloy, Ni-Cr aIIoy)
2. Wire Strain Gage (Cu-Ni alloy, Ni-Cr alloy)
3. Semikonduktor Strain Gage (monocrystal silicon)
Material dari carrier matrix mempengaruhi karakteristik dari starin gage, sama
halnya dengan material dari elemen resistifnya. Umumnya carrier matrix menggunakan
polymide atau material organik lainnya. Strain gage yang beroperasi untuk temperatur
yang tinggi umumnya menggunakan material jenis keramik, dan untuk strain gage yang
ditempelkan pada benda hasil las, carrier matrix-nya menggunakan logam seperti inconel
600. Berdasarkan carrier-matrix materialnya, strain gage terdiri atas bermacam-macam
jenis, misalnya strain gage yang menggunakan kertas sebagai carrier matrixnya, fenol,
epoxy, polymide, dan lain-lain.
Berdasarkan konfigurasinya strain gage terdiri atas konfigurasi monoaksial,
konfigurasi biaksial, konfigurasi triaksial, dan konfigurasi khusus untuk keperluan
khusus.
Gambar 3. 2 Jenis-Jenis Strain Gage Berdasarkan Konfigurasinya[27]
80
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Secara garis besarnya klasifikasi strain gage sebagai berikut :
Tabel 3. 2 Tabel Klasifikasi Strain Gage [27]
Material Elemen Resistif
Foil
strain
Wire
strain
gage
(Cu-Ni
alloy,
Ni-Cr
aIIoy,
etc.)
gage
(Cu-Ni
alloy,
Ni-Cr
alloy,
etc.)
Semiconductor strain gage (monocrystal silicon, etc.)
Material Carrier Matrix
Paper
Phenol/epoxy
Polyimide
Panjang Gage
0.14-120mm
Monoaxis
Bentuk
Multiaksis
(seperti
gage
rosette)
Gage yang memiliki alur khusus
Hambatan Gage
60 - 1000ohm atau lebih (semiconductor gage, lebih dari 10Kohm)
III.1.4 Struktur Foil pada Strain gage
Sebuah foil strain gage memiliki metal foil photo-etched dengan pola berliku-
liku pada sebuah insulator elektrik yang terbuat dari resin yang tipis dan di bagian
pangkalnya juga terdapat gage leads, deskripsi strain gage dapat terlihat pada gambar di
bawah.
Gambar 3. 3 Struktur Pembentuk Strain gage [12]
81
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Strain gage direkatkan pada objek yang akan diukur dengan menggunakan bahan
adesif tertentu. Strain yang terjadi pada bagian objek yang akan diukur ini ditransfer
menuju elemen peraba melalui dasar gage (gage base). Untuk memperoleh pengukuran
yang akurat, strain gage dan bahan adesifnya harus cocok dengan material yang diukur
dan kondisi operasi termasuk suhu.
III.1.5 Prinsip Pengukuran Strain
Strain menginisiasikan perubahan hambatan dengan sangat kecil. Oleh karena itu,
untuk pengukuran strain sebuah jembatan Wheatsone digunakan untuk mengkonversi
perubahan hambatan menjadi perubahan tegangan. Misal pada gambar 3, hambatan ( )
adalah R1, R2, R3, dan R4 dan tegangan jembatan (V) adalah Eexc. Maka, tegangan
keluaran e0 (V) dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut:
e0 =
R1 R3 − R2 R4
⋅E
(R1 + R2 )(R3 + R4 ) exc
[9]
Misalkan hambatan R1 adalah strain gage dan berubah besarannya sebanyak R akibat
strain. Maka, tegangan keluaran adalah,
e0 =
(R1 + ∆R )R3 − R2 R4
⋅E
(R1 + ∆R + R2 )(R3 + R4 ) exc
Apabila, R1 = R2 = R3 = R4 = R,
e0 =
R 2 − R∆R − R 2
⋅E
(2 R + ∆R )2 R exc
Sejak R dianggap jauh lebih besar dari nilai R,
e0 =
1 ∆R
1
⋅
⋅ E = ⋅ K s ⋅ ε ⋅ E exc
4 R
4
[9]
Berdasarkan persamaan di atas, diperoleh keluaran hambatan yang proporsional
dengan perubahan hambatan, sebagai contoh akibat perubahan strain. Keluaran tegangan
yang sangat kecil ini diamplifikasi untuk pembacaan analog atau pun indikasi digital dari
strain.
82
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Gambar 3. 4 Aplikasi Jembatan Wheatstone pada Strain gage [12]
III.1.6 Sistem Pengkabelan Strain gage
Sebuah jembatan Wheatstone dari stain gage memiliki konfigurasi 1, 2 atau 4
gage tergantung dari kebutuhan pengukuran. Pengkabelan yang umum digunakan
ditunjukkan pada Gambar 3.5, 3.6 dan 3.7.
III.1.6.1 Sistem 1-gage
Pada sistem 1-gage, sebuah strain gage dihubungkan pada sebuah sisi dari
jembatan Wheatstone dan sebuah resistor diletakkan pada setiap 3 sisi jembatan yang
lain. Sistem ini dapat dengan mudah dikonfigurasi, dan sistem ini adalah yang paling
umum digunakan pada pengukuran stress atau strain. Sistem 1-gage dengan 2-kabel
ditunjukkan pada Gambar 3.5 (a) menerima banyak pengaruh dari leads. Oleh karena itu,
apabila diperlukan antisipasi perubahan temperatur yang cukup besar dan leadwire yang
cukup panjang, sistem 1-gage dengan 3-kabel seperti yang ditunjukkan Gambar 3.5 (b)
harus digunakan.
(a)
(b)
Gambar 3. 5 Konfigurasi Sistem 1-gage [12]
83
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.6.2 Sistem 2-gage
Dengan sistem 2-gage, 2 buah strain gage dihubungkan pada jembatan dengan
konfigurasi satu pada setiap dua sisi atau kedua strain gage pada satu sisi saja. Sebuah
resistor tetap dihubungkan pada setiap 2 atau 3 sisi yang lain. Perhatikan Gambar 3.6 (a)
dan Gambar 3.6 (b)di bawah ini. Terdapat dua metode, yaitu metode active-dummy,
dimana sebuah strain gage digunakan untuk mengkompensasi perubahan temperatur dan
metode active-active dimana kedua strain gage berfungsi sebagai strain gage aktif.
Sistem 2-gage digunakan untuk mengeliminasi komponen strain. Tergantung pada
kebutuhan pengukuran, 2 buah strain gage dihubungkan ke jembatan dengan cara yang
berbeda-beda.
(a)
(b)
Gambar 3. 6 Konfigurasi Sistem 2-gage [12]
III.1.6.3 Sistem 4-gage
Perhatikan Gambar 3.7, pada sistem 4-gage, terdapar 4 buah strain gage yang
dihubungkan pada setiap keempat sisi jembatan. Rangkaian ini akan menghasilkan
keluaran yang besar dari tranduser strain-gage dan memperbaikan kompensasi
temperatur demikian pula dapat mengeliminasi komponen strain dibandingkan strain
target.
84
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Gambar 3. 7 Konfigurasi Sistem 4-gage [12]
III.1.7 Tegangan Keluaran dari Berbagai Konfigurasi Jembatan
Wheatstone
III.1.7.1 Tegangan Keluaran pada Sistem 1-gage
Seperti yang diilustrasikan gambar di bawah, sebuah strain gage dilekatkan pada
permukaan atas dari batang yang memiliki penampang kotak. Apabila beban W diberikan
pada ujung batang, daerah perekatan strain gage memiliki besar tegangan permukaan :
σ = ε0 ⋅ E
Strain
ε0 =
0
diperoleh dengan persamaan sebagai berikut:
6WL
Ebh 2
Dimana,
[12]
b
: Lebar dari batang
h
: Tebal dari batang
L
: Jarak dari titik beban ke bagian tengah strain gage
Gambar 3. 8 Pengukuran Bending dengan Konfigurasi Sistem 1-gage [12]
III.1.7.2 Tegangan Keluaran pada Sistem 2-gage
Terdapat dua metode konfigurasi pada sistem 2-gage ini, dimana setiap metode
memiliki kegunaan masing-masing. Metode pertama adalah pemasangan seperti pada
Gambar 3.6 (a). Keluaran tegangan yang terjadi pada rangkaian ini adalah [12]:
85
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
e=
1 ∆R1 ∆R2
−
E exc
R2
4 R1
atau, e =
1
K (ε 1 − ε 2 )E exc
4
[12]
Sementara itu, metode kedua adalah untuk kasus pemasangan sesuai dengan Gambar 3.5
(b), keluaran tegangan yang terjadi adalah [12]:
e=
1 ∆R1 ∆R2
+
E exc
R2
4 R1
atau, e =
1
K (ε 1 + ε 2 )E exc
4
Berdasarkan
rumusan
[12]
di
atas
dapat
dikatakan bahwa, strain yang dihasilkan oleh strain
gage kedua akan mengurangi/menambah strain
yang dihasilkan oleh strain gage pertama, bila
pemasangan kedua strain gage berada pada sisi
yang bersebelahan/berlawanan.
Gambar 3. 9Aplikasi sistem
konfigurasi 2-gage pada
batang [12]
Sistem 2-gage umum digunakan pada kasus
sebagai berikut. Untuk mengetahui secara terpisah
dari parameter regangan akibat bending atau tensile
yang dihasilkan batang yang terkena gaya, dua
buah strain gage diletakkan pada posisi yang sama
masing-masing pada setiap sisi atas dan bawah,
seperti yang terlihat pada gambar. Kedua strain
Konfigurasi 1 [12]
gage ini terhubung pada jembatan Wheatstone
dengan dua konfigurasi yang berbeda, yakni
bersebelahan
atau
berlawanan
sisi,
setiap
konfigurasi dapat mengukur regangan akibat
bending atau tensile secara terpisah. Prinsip
kerjanya adalah sebagai berikut, strain gage 1 akan
merasakan regangan tarik (positif) dan strain gage
konfigurasi 2 [12]
Gambar 3. 10 Sistem 2gage
2 akan merasakan regangan tekan (negatif). Nilai
absolut dari kedua regangan adalah serupa, yang
berbeda hanya polaritasnya saja, hal ini karena
kedua strain gage memiliki jarak yang sama
terhadap ujung terkenanya gaya.
86
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Untuk mengukur bending stress saja hal yang dilakukan adalah melakukan offset
dari regangan tarik dengan cara mengkonfigurasi strain gage 2 pada sisi yang
bersebelahan dengan strain gage 1 pada jembatan Wheatstone (gambar). Maka tegangan
keluaran yang terjadi adalah [12]:
e=
1
K (ε 1 − ε 2 )E exc
4
[12]
Apabila batang mengalami tarikan (tensile stress), kedua strain gage akan
merasakan regangan tarik yang sama-sama bernilai positif, sehingga dari persamaan akan
menghasilkan keluaran 0 ( 1-
2).
Sementara itu, bending stress akan mengakibatkan
strain gage 1 bernilai positif dan strain gage 2 bernilai negatif, dari persamaan
e=
1
K (ε 1 − ε 2 )E exc , maka nilai strain gage 2 akan menambah nilai strain gage 1,
4
sehingga diperoleh keluaran tegangan dengan nilai dua kali lipat. Oleh karena itu,
rangkaian seperti Gambar 3.10 hanya dapat mengukur bending stress saja.
Apabila strain gage 2 dihubungkan pada sisi yang berlawanan dengan strain gage 1,
tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone adalah:
e=
1
K (ε 1 + ε 2 )E exc
4
[12]
Persamaan ini berlawanan dengan persamaan sebelumnya, tegangan keluaran
jembatan Wheatstone akan nol bila mengalami bending strain dan akan mengeluarkan
keluaran dua kali lipat bila mengalami tensile strain. Maka dari itu, konfigurasi jembatan
seperti pada Gambar 3.10 dapat menghilangkan pengaruh bending strain, akan tetapi
tetap mampu mengukur tensile strain.
Gambar 3. 11 Pengukuran Bending Stress dengan Sistem 1-gage [12]
87
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.7.3 Tegangan Keluaran pada Sistem 4-gage
Sistem 4-gage memiliki 4 buah strain gage yang dirangkai pada setiap sisi dari
jembatan. Meskipun system ini jarang digunakan dalam pengukuran regangan, akan
tetapi system ini sering digunakan dalam tranduser strain gage. Ketika keempat strain
gage mengalami perubahan hambatan menjadi masing-masing R1 + R1, R2 + R2, R3 +
R3, dan R4 + R4, maka tegangan keluaran dari jembatan adalah [12]:
e=
1 ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4
−
+
−
E exc
R2
R3
R4
4 R1
Gambar 3. 12 Sistem 4-gage [12]
Apabila strain gage pada keempat sisi memiliki spesifikasi yang serupa, termasuk
gage factor, K, dan menerima strain masing-masing
1,
2,
3,
dan
4,
maka persamaan
(III.14) menjadi:
e=
1
⋅ K (ε 1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 )E exc
4
[12]
III.1.8 Strain pada Batang
Strain
εo =
Dimana,
o
pada batang diperoleh dengan menggunakan persamaan
M
ZE
M:
Z:
E:
[12]
Bending moment
Section modulus
Young’s modulus
88
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Tabel 3. 3 Section Modulus Berbagai Penampang[12]
III.1.9 Kompensasi Temperatur oleh Strain Gage
Misalkan objek yang akan diukur dan elemen hambatan dari strain gage memiliki
koefisien ekspansi linier
s
dan
g.
Maka, strain gage yang dilekatkan pada permukaan
dari objek akan mengalami strain yang diinduksikan oleh perubahan tempertur sebesar
T
per 1°C dan dapat dirumuskan oleh persamaan berikut ini [12]:
εT =
α
Ks
+ (β s − β g )
[12]
Dimana,
:
Ks:
Koefisien perubahan hambatan oleh temperatur dari elemen hambatan
Gage faktor dari strain gage
Gambar 3. 13 Pengaruh Ekspansi Linier Temperatur Material Terhadap Strain Gage
[12]
Kompensasi temperatur strain gage dirancang sedemikian rupa sehingga
T
pada
persamaan di atas dapat bernilai mendekati nol dengan cara mengendalikan koefisien
perubahan hambatan oleh temperatur dari elemen hambatan strain gage ( ) yang sesuai
dengan dengan koefisien ekspansi linear dari objek ukur. Parameter
dari elemen
89
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
hambatan dapat dikontrol dengan proses perlakuan panas (heat treatment) selama proses
produksi foil.
Ketika direkatkan pada material yang sesuai, kompensasi-temperatur strain gage
dapat meminimalkan timbulnya strain pada jangkauan kompensasi temperatur hingga
±1,8 /°C (grafik di bawah menampilan keluaran regangan yang timbul dari 3-wire
strain gage KYOWA). Oleh karena setiap jenis strain gage diatur berdasarkan koefisien
ekspansi linear dari material objek ukur, aplikasi strain gage pada jenis material lain
tidak hanya dapat berakibat hilangnya kemampuan kompensasi temperatur tetapi juga
dapat menimbulkan kesalahan pengukuran yang besar.
Gambar 3. 14 Grafik Karakteristik Suhu dari Kompensasi-Temperatur Foil Strain Gage
[12]
Tabel 3. 4 Koefisien Ekspansi Linier Berbagai Material[12]
90
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.10 Pengaruh Temperatur Terhadap Leadwire pada 2-Wire
System
Tabel 3. 5 Reciprocating Resistance dan Nilai Ekuivalen Strain yang Timbul Akibat
Kenaikan Temperatur pada Leadwire [12]
Strain yang timbul akibat induksi termal
T
( /°C) diperoleh dengan pesamaan
sebagai berikut [12]:
εT =
r
α
⋅
R g +r K s
Dimana,
[12]
Rg :
Hambatan dari strain gage ( )
rl :
Hambatan dari kabel kepala( )
Ks :
Gage faktor
:
Koefisien
hambatan
oleh
temperatur
dari
kabel
tembaga
( R/R/°C), 3,9*10-3
Gambar 3. 15 Rangkaian Strain Gage dengan Hambatan dalam pada Leadwire[12]
91
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.10.1 Metode Kompensasi Efek Temperatur dari Leadwire (3-wire
system)
Untuk memperoleh kompensasi-temperatur-mandiri yang efektif hendaknya
menggunakan sistem 1-gage. Meskipun sudah tersedianya kemampuan kompensasitemperatur-mandiri dari strain gage, bila kabel kepala yang digunakan adalah sistem 2kabel, dan panjang kabel kepala relatif panjang, keluaran strain dari jembatan tetap akan
dipengaruhi oleh efek temperatur yang terjadi pada kabel kepala. Sebagai contoh,
tembaga digunakan untuk material kabel kepala, memiliki koefisien hambatan oleh
temperatur sebesar 3,93*10-3/°C. Apabila luas penampang kabel 0,3mm2, hambatan
dalam 0,062 /m, jarak strain gage ke sisi jembatannya 10m, maka panjang kabel adalah
20m. Efek temperatur yang diperoleh adalah setara strain sebesar 20x10-6 untuk setiap
perubahan 1°C. Untuk menghindari efek temperatur tersebut maka diadopsi sistem 3kabel.
Apabila 3 kabel kepala dihubungkan seperti yang terlihat pada gambar di bawah,
setengah dari hambatan kabel kepala akan terdapat pada sisi sebelah dari jembatan
Wheatstone, hal ini untuk mengkompensasi perubahan hambatan akibat temperatur
dengan cara kedua sisi jembatan yang bersebelahan tersebut akan mengalami perubahan
hambatan yang sama akibat perubahan temperatur, maka dari itu keluaran tegangan dari
jembatan Wheatstone akan terbebas dari pengaruh temperatur pada kabel kepala.
Pengaruh temperatur yang terhubung langsung pada amplifier dapat diabaikan karena
pada amplifier tersedia impedansi masukan yang besar.
Yang menjadi catatan penting dalam penggunaan sistem 3-kabel adalah ketiga
buah kabel harus pada jenis, panjang dan penampang yang sama untuk memperoleh
pengaruh temperatur yang sama. Apabila kabel tersebut terkena sinar matahari secara
langsung, pembungkus kabel juga harus memiliki warna yang serupa.
Gambar 3. 16 Aplikasi 3-wire system[12]
92
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.11 Pengaruh dari Hambatan Material Insulasi
Hambatan dari material insulasi strain gage tidak akan mempengaruhi hasil
pengukuran apabila memiliki hambatan di atas 100M . Akan tetapi, apabila hambatan
tersebut berkurang secara drastis pada saat pengukuran berlangsung, maka akan terdapat
kesalahan pada hasil pengukuran.
Gambar 3. 17 Rangkaian Strain Gage dengan Hambatan Material Insulasi[12]
Apabila hambatan insulasi berkurang dari r1 menjadi r2 seperti pada gambar di
atas, kesalahan pada strain adalah:
ε=
R g (r1 − r2 )
[12]
K s r1 r2
Misalnya,
Rg = 120 (hambatan strain gage)
Ks = 2,00 (gage factor)
r1 = 1000M (hambatan insulasi awal)
r2 = 10M (hambatan insulasi setelah berubah)
maka, kesalahan strain yang terjadi adalah mendekati 6 .
Selama pengukuran strain kesalahan seperti ini akan tidak akan tampak. Pada
aplikasinya, penurunan hambatan insulasi ini tidak akan memiliki nilai yang konstan, dan
hambatan ini akan berubah secara tajam karena pengaruh temperatur dan kelembapan,
serta pengaruh lingkungan lainnya. Adalah hal yang tidak mungkin untuk mengetahui
insulasi bagian mana pada rangkaian yang mengalami penurunan hambatan. Oleh karena
itu, tindakan preventif sangat perlu dilakukan.
93
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.12 Perubahan Hambatan Strain Gage Akibat Perekatan pada
Permukaan Kurva
Strain
c
yang timbul pada elemen hambatan akibat perekatan strain gage pada
permukaan kurva dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut [12]:
εc =
t
2r + t
Dimana,
[12]
t: ketebalan dari strain gage ditambah ketebalan permukaan perekat
(adhesive)
r: jari-jari permukaan daerah perekatan
Gambar 3. 18 Strain Gage yang Direkatkan pada Permukaan Kurva [12]
III.1.13 Pengaruh Pemasangan yang Tidak Tepat (Missalignment)
Strain
0
yang terukur oleh strain gage yang tidak tepat terpasang dengan sudut
penyimpangan dari arah prinsipal strain, dapat dirumuskan sebagai berikut [12]:
ε0 =
1
{(ε 1 + ε 2 ) + (ε 1 − ε 2 ) cos 2θ }
2
[12]
Apabila ε 2 = −vε 1 (v: Poisson’s ratio) pada kondisi menerima gaya pada satu sumbu saja,
1
2
ε 0 = ε 1 {(1 − v) + (1 + v) cos 2θ }
[12]
Gambar 3. 19 Strain Gage dengan Pemasangan yang Tidak Tepat [12]
94
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.14 Metode Kompensasi Panjang Kabel Kepala
Apabila panjang kabel kepala pada sistem 1-gage atau sistem 2-gage relatif
panjang (>1m), maka penambahan hambatan diinisiasikan secara seri pada strain gage,
hal ini berakibat pada penurunan gage factor. Sebagai contoh, apabila kabel kepala
dengan panjang 10m dan penampang 0,3mm2 digunakan, gage factor akan berkurang
sebesar 1%. Pada aplikasi sistem 4-gage, penambahan panjang juga akan mengurangi
tegangan keluaran jembatan. Pada kasus ini, strain yang sebenarnya terjadi dapat
diperoleh dengan rumusan sebagai berikut:
ε = 1+
rl
×ε i
Rg
Dimana,
i:
[12]
Strain terukur
Rg: Hambatan strain gage
rl: Hambatan total dari kabel kepala
Tabel 3. 6 Spesifikasi Berbagai Leadwire dan Reciprocating Resistance [12]
*pada sistem 3-kabel digunakan hambatan satu-arah (hambatan satu arah = 0.5*hambatan
reciprocating)
III.1.15 Metode Kompensasi Ketidaklinieran pada Sistem 1-Gage
Ketidaklinearan yang melebihi spesifikasi pada pengukuran regangan yang relatif
besar dengan sistem 1-gage dapat dikompensasi melalui persamaan berikut untuk
memperoleh regangan yang sebenarnya [12]:
ε=
ε0
(×10 −6 )
1− ε 0
Dimana,
0:
[12]
regangan terukur
95
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.16 Metode Mendapatkan Besaran dan Arah dari Principal
Stress (Rosette Analysis)
Apabila arah dari principal stress tidak diketahui dari sebuah pengukuran
tegangan pada suatu struktur, maka triaxial rosette gage lazim digunakan dan berbagai
parameter dapat diperoleh dengan menggunakan nilai-nilai dari regangan yang terukur
oleh rangkai strain gage ini.
Langkah-langkah aplikasi rosette analysis adalah:
1. Tetapkan
a
b
c
sebagai arah urutan
2. Sudut adalah:
Sudut dari regangan maksimum terhadap sumbu
Sudut dari regangan minimum terhadap sumbu
Perbandingan antara
a
dan
c
a
a
bila
bila
a
a
> c;
< c;
tetap memperhitungkan nilai positif dan
negatifnya.
Gambar 3. 20 Konfigurasi Pemasangan Strain Gage pada Rosette Analysis [12]
Maximum principal strain
ε max =
[
{
1
ε a + ε c + 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2
2
Minimum principal strain
ε min =
[
{
1
ε a + ε c − 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2
2
}]
[12]
}]
[12]
96
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Arah dari principal strain
θ=
2ε b − ε a − ε c
1
tan −1
2
εa −εc
[12]
Maximum shearing strain
γ max = 2{(ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2 }
[12]
Maximum principal stress
σ max =
[
{
}]
[12]
{
}]
[12]
E
(1 + v)(ε a + ε c ) + (1 − v) 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2
2
2(1 − v )
Minimum principal stress
σ min =
[
E
(1 + v)(ε a + ε c ) − (1 − v) 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2
2
2(1 − v )
Maximum shearing stress
τ max =
{
E
2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2
2(1 − v)
}
[12]
v: Poisson’s ratio
E: Young’s modulus
III.1.17 Metode Mendapatkan Nilai Kalibrasi dengan Tip Parallel
Resistance
Ketika perpanjangan kabel kepala mencapai beberapa ratus meter atau untuk
memperoleh nilai kalibrasi yang tepat, penggunaan metode Tip Parallel Resitance adalah
sangat tepat. Kalibrasi ini dilakukan untuk mengetahui nilai regangan sebenarnya yang
dialami strain gage, hubungan antara tegangan keluaran e dengan regangan strain gage ,
untuk sistem 1-gage adalah ε =
4e
. Nilai regangan yang diperoleh berdasarkan
K sε
besarnya e dengan menggunakan persamaan diatas dapat memberikan nilai regangan
yang tidak tepat, hal ini dapat disebabkan oleh pengaruh panjangnya kabel kepala,
kesalahan arah pemasangan, hambatan insulasi dan faktor-faktor lain yang telah
disebutkan di atas. Konsep Tip Parallel Resistance ini adalah dengan penambahan
hambatan paralel pada strain gage, hambatan-total-paralel antara strain gage setelah
97
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
meregang dan resistor tambahan adalah sama dengan hambatan awal strain gage.
Persamaannya adalah sebagai berikut:
1
=
R parallel
1
1
+
R g + ∆R r
* R parallel = R g
1
1
1
=
−
r R g R g + ∆R
r=
r=
[12]
R g (R g + ∆R )
∆R
Rg
K sε
Dimana,
Rg :
Hambatan dari strain gage
Ks :
Gage Factor dari strain gage
:
Nilai regangan kalibrasi
Gambar 3. 21 Tip Parallel Resistance untuk Kalibrasi Strain [12]
Bila setelah dipasang resistor paralel tambahan dan sistem mengalami regangan,
tegangan keluaran jembatan menunjukkan nilai nol, maka hal ini menunjukkan bahwa
regangan yang dialami strain gage sebenarnya adalah sebesar nilai regangan kalibrasi.
Tabel 3. 7 Contoh dari Nilai Regangan Kalibrasi dan Hambatan Parallel Tambahan[12]
(Rg = 120 , Ks = 2,00)
98
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.1.18 Metode Perekatan Strain Gage dan Dampproofing
Treatment
1. Seperti
menggambar
lingkaran
dengan
sandpaper (#300), poles daerah perekatan
strain gage, daerah ini harus memiliki lebar
yang lebih besar dari ukuran strain gage.
2. Dengan menggunakan katun mampu serap,
atau kertas SILBON yang direndam pada
pelarut highly volatile seperti aseton, dengan
tekanan kuat usaplah daerah perekatan strain
gage pada satu arah saja. Pelarut ini akan
dengan mudah menghilangkan minyak dan
lemak. Arah pengusapan yang bolak-balik
tidak akan membersihkan permukaan. Setelah
dibersihkan, berikan tanda untuk posisi strain
gage.
3. Bedakan dan pastikan mana posisi depan
(metal foil part) dan bagian belakang strain
gage. Berikan setitik adesif pada permukaan
belakang dan segera mungkin letakkan strain
gage
pada
daerah
perekatan.
(Jangan
meratakan adesif pada permukaan belakang,
apabila ini dilakukan proses pengeringan akan
berlangsung jauh lebih cepat.)
4. Tutup
strain
gage
dengan
lembaran
polyethylene kemudian dengan kuat tekan
strain
gage
yang
tertutup
dengan
99
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
menggunakan jempol tangan selama kurang
lebih 1 menit (jangan melepas tekanan sebelum
1 menit). Lakukan tahap 3 dan 4 secara cepat,
jika tidak perekat akan segera kering. Ketika
strain gage telah terikat pada permukaan,
jangan mencoba untuk mengangakatnya lagi
guna mengatur posisi.
5. Ketika adesif sudah kering, lepaskan lembaran
polyethylene dan cek kondisi cairan adesif.
Idealnya, cairan adesif tersebut akan tersebar
merata disekitar strain gage.
6. Apabila adesif tersebar sangat jauh dari strain
gage, hilangkan bagian yang jauh tersebut
dengan cutter atau sandpaper. Letakkan kabel
kepala strain gage dengan kondisi kendur.
7. Letakkan kabel kepala strain gage memanjang
ke belakang. Letakkan sepotong coating agent
di bawah kabel kepala dengan posisi kabel yang
sedikit kendur.
8. Tutup strain gage, adesif yang mengelilingi, dan
bagian kabel kepala dengan potongan coating
agent yang lain. Jangan lupa untuk menekan
potongan coating agent terlebih dahulu dengan
jari sehingga lebih melebar dan dapat menutupi
strain gage dan bagian kabel kepala secara
sempurna.
Gambar 3. 22
Metode Perekatan Strain Gage [12]
100
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.2 Konfigurasi Strain gage pada Sistem Pendeteksi Gaya
Multi Axis
Gambar 3. 23 Skematik Konfigurasi Strain Gage Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis
pada Semua Komponen Plate
Gambar III.23 adalah konfigurasi strain gage pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi
Axis. Beberapa hal penting yang menjadi pertimbangan pemilihan konfigurasi di atas
adalah:
1.
Konfigurasi jembatan Wheatstone yang dipilih untuk ketiga rangkaian adalah
sistem 2-gage dengan susunan strain gage yang saling bersebelahan (Gambar
3.10). Sistem konfigurasi jembatan wheatstone seperti ini akan membantu
mendeteksi besarnya strain yang terjadi akibat bending.
Tabel 3. 8 Tabel Deskripsi Sistem 2-Gage [28]
Adapun konfigurasi rangkaian elektronik jembatan wheatstone dari sistem
pendeteksi gaya multi axis ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
101
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Gambar 3. 24 Rangkaian Elektronik Jembatan Wheatstone dari Sistem Pendeteksi Gaya
Multi Axis
2.
Pada komponen plat baik itu arah sumbu x, maupun sumbu y, strain gage
direkatkan di permukaan bawah plat dan masing-masing plat membutuhkan
satu strain gage. Setiap satu sumbu memiliki dua stain gage dengan arah yang
berbeda, hal ini dimaksudkan agar nilai keluaran voltage yang dikeluarkan
dari rangkaian jembatan wheatsone akan saling menguatkan. Misalkan gaya
datang dari arah sumbu x, plat strain gage pertama akan mendeteksi sebuah
gaya compressive yang terjadi padanya, dan sebaliknya dengan plat strain
gage yang kedua membaca gaya tensile. Dengan konfigurasi seperti ini, maka
gaya compressive sama dengan gaya tensile.
102
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
F
SG1
SG2
Gambar 3. 25 Simulasi Gaya yang Datang terhadap Plat X atau Plat Y
Pada contoh kasus Gambar 3.25 terlihat bahwa pada saat plat sumbu x
menerima gaya dari arah x positif, pada bagian plat sg1 (strain gage 1) akan
mengalami tekan, dan pada bagian plat sg2 (strain gage 2) akan mengalami
tarik, sehingga strain yang dialami strain gage x1,
dan strain gage x2,
2,
strain adalah sama,
1,
adalah bernilai positif
adalah bernilai negatif, sementara nilai absolut kedua
ε 1 = ε 2 . Sesuai persamaan yang berlaku pada
konfigurasi ini, yakni persamaan e =
1
K (ε 1 − ε 2 )E exc , maka tegangan
4
keluaran, e adalah sama dengan dua kali ε yang ada.
3.
Tegangan eksitasi dari jembatan Wheatstone adalah 3,333volt, sesuai dengan
spesifikasi dari Modul Pengkondisian Sinyal Strain Gage.
4.
Pada plat sumbu z, strain gage diletakkan pada sisi yang sama dari plat.
Design stick mampu mengkompensasi pendeteksian gaya dari arah sumbu
lain. Sisi kiri dan kanan dari plat secara teoritis akan mengalami bending
stress dan strain yang sama apabila terkena gaya yang searah sumbu z dan
titik konsentrasi gaya berada tepat di tengah plate.
F
SG1
SG2
Gambar 3. 26 Simulasi Gaya yang Datang terhadap Plat Z
5.
Untuk melengkapi dua buah sisi masing-masing jembatan Wheatstone yang
belum terisi, maka dirangkaikan resistor variable yang memiliki jangkauan
hambatan 0-200
di setiap sisi. Resistor ini berfungsi sebagai sarana untuk
103
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
melaksanakan
offset
nulling,
yakni
pengaturan
hambatan
untuk
menyeimbangkan jembatan Wheatstone saat pembebanan belum dilakukan.
III.3 Pengkondisian Tegangan Keluaran Jembatan Wheatstone
pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis
Gambar 3. 27 Diagram Blok SCM5B38 [13]
Peranti keras yang digunakan untuk pengkondisian sinyal pada Sistem Pendeteksi
Gaya Multi Axis adalah SCM5B38-31 Strain Gage Input Module, yang merupakan
produk dari DATAFORTH. Setiap SCM5B38-31 menyediakan sebuah channel untuk
masukan strain gage dimana pengkondisian sinyal yang diberikan adalah filtering,
isolasi, amplifikasi dan konversi menjadi tegangan keluaran analog tingkat tinggi
(Gambar 3.27). Tegangan keluaran terkontrol dengan suatu logic swith, yang
memungkinkan modul ini dapat berbagi satu analog bus dengan modul-modul yang lain
tanpa memerlukan external multiplexers.
III.3.1 Tegangan Eksitasi
Modul pengkondisi sinyal strain gage menyediakan sumber tegangan yang
konstan untuk rangkaian jembatan Wheatstone. Tegangan eksitasi yang umum disediakan
modul pengkondisi sinyal adalah 3,333 volt atau 10 volt. Pada aplikasi Sistem Pendeteksi
Gaya Multi Axis, tegangan eksitasi yang diberikan adalah 3,333 volt. Dengan tegangan
104
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
eksitasi yang besar, maka tegangan keluar yang dihasilkan juga bertambah secara
proporsional. Tegangan yang terlalu besar dapat mengakibatkan error yang besar akibat
pemanasan pada elemen.
III.3.2 Amplifikasi
Keluaran tegangan dari rangkaian jembatan strain gage adalah sangat kecil. Pada
umumnya, tegangan keluaran dari jembatan strain gage adalah sekitar 10 mV/V (10mV
tegangan keluaran untuk setiap 1V tegangan eksitasi). Dengan tegangan eksitasi sekitar
10V, maka tegangan keluaran adalah sekitar 100mV. Oleh karena itu, pengkondisian
sinyal untuk strain gage pada umumnya menggunakan amplifier untuk meningkatkan
resolusi pengukuran dan meningkatkan rasio sinyal terhadap gangguan (noise).
Terdapat dua hal penting yang perlu diketahui dalam menganalisa rangkaian op
amp, yakni: arus yang masuk pada terminal input op amp adalah nol dan beda tegangan
di antara kedua input terminal juga nol.
Penting untuk diingat, bahwa generalisasi Hukum Kirchoff untuk arus tidak berlaku
pada op amp Gambar 3.28. Apabila arus input adalah nol bukan berarti arus output juga
nol. Hal ini dapat terlihat lebih jelas pada Gambar III.31, dimana hubungan terhadap
sumber daya diperlihatkan.
Maka dari itu, Hukum Kirchoff untuk arus tidak dapat
diaplikasikan pada terminal 3 Gambar 3.29, karena adanya terminal yang tidak terlihat,
jadi kita tidak dapat mengetahui berapa arus output.
Gambar 3. 28 Operasional Amplifier dengan Sumber Daya [14]
Perhatikanlah gambar di bawah ini. v2 adalah tegangan keluaran dari op amp dan,
seperti yang kita lihat, adalah fungsi dari tegangan masukan v1 dan dua buah resistor.
105
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Gambar 3. 29 Voltage-Controlled Voltage Source [14]
III.3.3 Filtering
Strain gage biasanya terletak di lingkungan yang banyak gangguan elektrikal.
Oleh karena itu, sangatlah penting untuk mengeliminasi gangguan tersebut sehingga
dapat diperoleh keluaran yang tepat. Lowpass filters dapat digunakan bersebelahan
dengan strain gage, komponen itu dapat menghilangkan gangguan frekuensi tinggi dan
biasa diaplikasikan pada berbagai kondisi lingkungan.
III.3.4 Isolasi
Isolasi, adalah sebuah pengkondisian yang penting untuk menghindari efek dari
pembebanan elektrikal antara dua buah rangkaian atau sistem yang berdekatan [15].
Isolator adalah sebuah rangkaian yang memungkinkan sinyal ditransfer dari satu
rangkaian ke rangkaian yang lain, sementara itu menjaga kedua rangkaian atau sistem
terisolasi secara elektrik antara satu sama lain. Impedansi keluaran yang dihasilkan oleh
rangkaian awal atau impedansi masukan yang diterima oleh rangkaian setelahnya dapat
mengganggu transmisi sinyal diantara kedua rangkaian.
Gain dari isolator bernilai satu, keluaran dihubung singkat dengan noninverting
terminal dari ap amp.
106
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Gambar 3. 30 Isolator di antara Dua Rangkaian [15]
Gambar 3. 31 Isolator dengan OPAMP [15]
Gambar 3. 32 Prinsip Kerja optoisolation [15]
Isolasi juga dapat dilakukan dengan menggunakan sinyal optik. Sinyal elektrik yang
dihasilkan oleh rangkaian-1 pada Gambar 3.32 dikonversi menjadi sinyal optik oleh LED
(Light Emitting Diode). Kemudian sinyal optik ini akan dikonversi kembali menjadi
sinyal elektrik oleh photodevice seperti photodiode atau phototransistor dan proses
isolasi dapat berlangsung.
III.3.5 Offset Nulling
Ketika rangkaian Jembatan Wheatstone telah terbentuk, maka dipastikan tegangan
keluaran yang dihasilkan adalah tidak sama dengan nol (e
0), meskipun tidak terjadi
regangan sama sekali pada strain gage. Variasi dari hambatan dari setiap sisi jembatan
dan perbedaan hambatan dari masing-masing kabel dapat mengakibatkan tegangan
keluaran awal yang tidak sama dengan nol. Offset nulling dapat dilakukan melalui dua
cara, yakni melalui peranti keras atau pun peranti lunak.
1. Kompensasi peranti lunak
Dengan metode kompensasi ini, nilai tegangan, yang keluar saat pertama kali sistem
diberi tegangan eksitasi dan strain gage belum mengalami regangan, dijadikan besar
107
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
nilai offset untuk membuat nilai awal menjadi nol. Metode ini cukup sederhana,
mudah, cepat dan tidak memerlukan pengaturan manual. Kerugian dari kompensasi
peranti lunak ini adalah offset pada jembatan Wheatstone tidak dihilangkan. Apabila
offset yang terjadi cukup besar, hal ini dapat membatasi gain dari amplifier yang
dapat diberikan pada tegangan keluaran, sehingga dapat mengurangi jangkauan
dinamik penukuran.
2. Kompensasi peranti keras
Proses stabilisasi untuk kompensasi offset dengan peranti keras adalah dengan
menggunakan potensiometer, atau resistor variable. Dengan mengatur besar hambatan
pada resistor variable yang menjadi elemen di salah satu sisi jembatan Wheatstone
maka proses pengaturan tegangan keluarn jembatan dapat dilakukan hingga
mendapatkan nilai nol.
III.3.6 Remote Sensing
Apabila rangkaian strain gage terletak jauh dari pengkondisi sinyal dan sumber
tegangan eksitasi, terdapat kemungkinan terjadinya error yakni tegangan jatuh akibat
hambatan pada kabel yang menghungkan jembatan dan sumber tegangan eksitasi. Modul
pengkondisi sinyal terdapat kemampuan untuk melakukan remote sensing untuk
mengkompensasi error ini. Kabel pendeteksi jarak jauh dihubungkan pada titik saat
rangkaian jembatan dan sumber eksitasi terhubung. Kabel pendeteksi ekstra ini bertugas
mengatur
besar
sumber
eksitasi
melalui
amplifier
feedback
negatif
untuk
mengkompensasi kerugian pada kabel dan mengirimkan tegangan yang tepat diperlukan
untuk rangkaian jembatan. Pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis aplikasi ini tidak
perlu digunakan mengingat panjang kabel yang digunakan antara rangkaian jembatan dan
sumber eksitasi adalah sangat pendek (< 1m).
III.4 Tegangan Keluar Teoritis
Tegangan keluaran teoritis diperoleh dari persamaan berikut :
e=
1
K (ε 1 − ε 2 )E exc
4
108
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Saat pembebanan maksimum 12N, untuk Daerah Pendeteksi Gaya Arah x, strain
( ) yang terjadi adalah 1,26·10-2, sementara tegangan eksitasi, Eexc, adalah 3,333volt,
Gage Factor strain gage,K , adalah 2,11. Maka tegangan keluaran dari jembatan
Wheatstone, e adalah 8,85·10-2.
Saat pembebanan maksimum 12N, untuk Daerah Pendeteksi Gaya Arah y, strain
( ) yang terjadi adalah 1,26·10-2, sementara tegangan eksitasi, Eexc, adalah 3,333volt,
Gage Factor strain gage,K , adalah 2,11. Maka tegangan keluaran dari jembatan
Wheatstone, e adalah 8,85·10-2.
Saat pembebanan maksimum 12N, untuk Daerah Pendeteksi Gaya Arah z, strain
( ) yang terjadi adalah 1,4·10-2, sementara tegangan eksitasi, Eexc, adalah 3,333volt, Gage
Factor strain gage,K , adalah 2,11. Maka tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone, e
adalah 7,9·10-2.
Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban
pada Arah Sumbu X
1,00E-01
Tegangan (Voltage)
8,00E-02
6,00E-02
4,00E-02
nilai teoitis
2,00E-02
-15
-10
0,00E+00
-5
0
-2,00E-02
Linear (nilai teoitis )
5
10
15
-4,00E-02
-6,00E-02
-8,00E-02
Gaya (Newton)
Gambar 3. 33 Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu X
109
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban
pada Arah Sumbu Y
1,00E-01
Tegangan (Voltage)
8,00E-02
6,00E-02
4,00E-02
nilai teoitis
2,00E-02
-15
-10
0,00E+00
-5
0
-2,00E-02
Linear (nilai teoitis )
5
10
15
-4,00E-02
-6,00E-02
-8,00E-02
Gaya (Newton)
Gambar 3. 34 Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu Y
Tegangan (Voltage)
Grafik Tegangan Keluaran Teoritis terhadap
Beban pada Arah Sumbu Z
-20
2.00E-01
1.50E-01
1.00E-01
5.00E-02
0.00E+00
-10-5.00E-02 0
-1.00E-01
-1.50E-01
-2.00E-01
nilai teoritis
10
20
Linear (nilai
teoritis)
Gaya (Newton)
Gambar 3. 35 Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu Z
III.5 Akuisisi Data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis
III.5.1 Prinsip Operasi Akusisi Data pada Board DT3010
Proses akuisisi data pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis berfungsi untuk
mengkonversi sinyal analog yang keluar dari peranti pengkondisi sinyal strain gage
menjadi sinyal digital yang dapat diproses lebih lanjut oleh komputer. Hardware yang
digunakan untuk proses akuisisi data ini adalah board seri DT3010 produk dari Data
110
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Translation. Terdapat beberapa metode dan prosedur yang perlu dikonfigurasi untuk
mendapatkan sebuah proses akuisisi data yang efektif dan efisien. Metode dan prosedur
tersebut di antaranya adalah:
1.
Channel-gain list;
2.
Sumber A/D sample clock;
3.
Metode konversi input analog;
4.
Sumber trigger dan metode akuisisi trigger;
5.
Format data dan transfer.
Gambar 3. 36 Skematik DT3010 Board [16]
III.5.1.1 Channel-gain list
Channel-gain list adalah susunan channels yang terhubung jembatan strain gage
beserta gain yang digunakan untuk pembesaran nilai sinyal masukan. Sebagai informasi,
berikut adalah channel-gain list yang digunakan pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi
Axis:
111
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Tabel 3. 9 Contoh dari Nilai Regangan Kalibrasi dan Hambatan Parallel Tambahan [16]
Entry
0
Channel Gain
0
8
Keterangan
Berkorelasi dengan jembatan
strain gage pendeteksi gaya arah
sumbu 2 (sumbu x) end effector
1
1
8
Berkorelasi dengan jembatan
strain gage pendeteksi gaya arah
sumbu 3 (sumbu x) end effector
2
2
8
Berkorelasi dengan jembatan
strain gage pendeteksi gaya arah
sumbu 4 (sumbu y) end effector
3
3
8
Berkorelasi dengan jembatan
strain gage pendeteksi gaya arah
sumbu 5 (sumbu y) end effector
4
4
8
Berkorelasi dengan jembatan
strain gage pendeteksi gaya arah
sumbu 1 (sumbu z) end effector
III.5.1.2 Sumber A/D Sample Clock
Seri DT3010 board menyediakan dua buah sumber sample clock untuk mengiringi
operasi input analog pada continuous mode, yaitu:
1. A/D sample clock internal yang menggunakan 24-bit A/D Counter pada board,
dan
2. A/D sample clock eksternal yang dapat dihubungkan dengan panel screw terminal.
A/D sample clock ini berfungsi mengiringi input analog untuk kemudian mengakuisisi
data dari setiap channel pada channel gain-list. Clock ini dapat juga disebut sebagai A/D
pacer clock.
Sumber A/D sample clock pada proses akuisisi data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis
menggunakan jenis A/D Sample Clock internal karena sumber sample clock yang berasal
dari board ini dirasa cukup memadai dan praktis tanpa memerlukan tambahan perangkat
keras baru.
112
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.5.1.3 Sumber A/D Sample Clock internal
Berdasarkan teori sampling (teori Nyquist), spesifikasi frekuensi sampling paling
rendah adalah dua kali frekuensi tertinggi dari suatu komponen sinyal input. Sebagai
contoh, untuk melakukan sampling yang akurat terhadap sinyal berfrekuensi 20kHz,
maka spesifikasi untuk frekuensi sampling terendah adalah 40kHz. Dengan melakukan
hal ini berarti proses sampling dapat terhindar dari kondisi error yang dinamakan
aliasing, dimana komponen input berfrekuensi tinggi tampak sebagai komponen
berfrekuensi rendah setelah proses sampling.
III.5.1.4 Metode Konversi Input Analog
DT3010 menyediakan beberapa metode konversi sinyal analog sebagai berikut:
1. Operasi single-value
Metode ini cukup sederhana dalam organisasi buffer, akan tetapi memiliki
fleksibilitas dan efisiensi yang rendah. Cara penggunaannya cukup mendefinisi range,
gain, analog input channel kemudian mengakuisisi data dari channel dan mengkonversi
hasil, setelah itu data akan ditampilkan dengan segera. Dengan metode ini, tidak perlu
untuk menspesifikasi sumber clock, trigger, metode akuisisi trigger, metode scan
maupun buffer.
Operasi single-value akan berhenti dengan sendirinya apabila proses telah selesai,
operator tidak dapat menghentikan proses ini.
2. Metode scan
Metode ini memungkinkan pengguna untuk mengoptimalkan kemampuan dari
board seri DT3010 karena akan banyak fitur yang dimanfaatkan. Terdapat dua metode
scan, yakni continuously-paced scan dan triggered scan.
Dengan menggunakan peranti lunak, operasi scan dapat dihentikan dengan
metode yang teratur, bukan dengan metode berhenti seketika (misal: saat kehilangan
daya). Pada proses berhenti teratur, peranti keras akan berhenti untuk mendapatkan
sederetan samples dan menghentikan akuisisi, mentransfer data yang didapat pada host
memory, dan seluruh trigger akan dihiraukan.
Pada konfigurasi proses akuisisi data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis metode
yang digunakan adalah metode continuously-paced scan, karena metode inilah yang
113
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
paling sesuai dengan kebutuhan untuk mengakuisi data secara berkelanjutan dan real-
time.
III.5.1.5 Metode Continuously-Paced Scan
Metode ini memungkinkan untuk mengontrol secara akurat periode antara
konversi dari masing-masing channel.
Saat mendeteksi trigger, board akan mengambil data mengenai channel dan gain
pada channel-gain list, memperoleh dan mengkonversi nilai dari setiap entry yang
berkorelasi dengan channel yang telah ditetapkan pada channel-gain list, proses ini
disebut sebagai scan. Setelah seluruh entry diproses, maka board akan akan melakukan
proses wrap yakni kembali pada entry pertama untuk melakukan proses scan kembali.
Proses akan berlangsung terus-menerus hingga seluruh alokasi buffer terisi atau adanya
perintah stop dari pengguna.
Laju konversi dipengaruhi oleh frekuensi dari A/D sample clock. Laju sampling,
yakni laju dimana sebuah entry pada channel-gain list dilakukan proses sampling,
parameter ini ditentukan oleh besar frekuensi A/D sample clock dibagi jumlah entry pada
channel-gain list.
Metode continuous-paced scan memerlukan sebuah sumber initial
trigger,
dimana sumber initial trigger ini dapat dikonfigurasi sesuai dengan metode akuisisi
trigger yang digunakan.
III.5.1.6 Triggers
Trigger adalah sebuah kejadian yang muncul berdasarkan suatu kondisi spesifik.
Seri DT3010 menyediakan beberapa metode sumber trigger dan metode akuisisi trigger,
berikut adalah penjelasan singkatnya.
Sumber Trigger
DT3010 menyediakan beberapa sumber trigger, diantaranya adalah:
1. Software trigger;
2. External digital (TTL) trigger;
3. Analog threshold trigger.
Metode Akuisisi Trigger
114
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Seri DT3010 mampu memperoleh data dengan menggunakan metode post-
trigger, pre-trigger, atau about-trigger. Post-trigger adalah metode yang mengatur agar
board mengakuisisi data setelah trigger muncul, pre-trigger adalah metode yang
mengatur agar board mengakuisisi data sebelum kemunculan suatu kejadian eksternal
spesifik (misal kemunculan suatu post-trigger), sementara itu about-trigger adalah
metode yang mengatur board agar mengakuisisi data sesudah dan sebelum suatu kejadian
eksternal spesifik.
Perancangan sistem akuisisi data pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis
menggunakan sumber software trigger karena sudah cukup untuk memenuhi kebutuhan
akuisisi data yang sederhana dan tidak ada ketergantung oleh komponen lain. Software
trigger akan muncul dengan sendirinya ketika operasi analog input dijalankan (komputer
akan memberikan perintah pada board untuk memulai konversi). Sementara itu metode
akuisisi trigger yang digunakan adalah pre-trigger yang bersumber pada software.
A/D
Sample
Clock
Board secara kontinyu
mengakuisisi data
Pre-trigger
muncul
Gambar 3. 37 Metode continuous pre-trigger [16]
Gambar di atas mengilustrasikan metode continuous pre-trigger pada sistem
akuisisi data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis. Pre-trigger akan muncul dengan
sendirinya saat software dijalankan, kemudian board akan mulai mengakuisisi data.
Konversi A/D dimulai setiap falling edge dari output A/D sample clock. Board akan terus
melakukan proses wrap untuk kembali memproses entry pertama (channel 0) pada
channel-gain list setelah mengakuisisi entry terakhir (channel 2) dan proses ini akan
berlangsung secara kontinyu.
115
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
III.5.1.7 Format Data dan Transfer
Untuk merepresentasikan sinyal unipolar, DT3010 menggunakan data binary 000
untuk 0 volts dan FFFh untuk tegangan skala penuh. Sementara itu untuk
merepresentasikan sinyal bipolar, DT3010 menggunakan offset binary data encoding,
yakni menggunakan data 000 sebagai tegangan negatif skala penuh dan FFFh sebagai
tegangan positif skala penuh.
Board mengemas dua input sample, yakni sampel ganjil dan sampel genap.
Sampel yang berkorelasi dengan entry 0, 2, 4 dan seterusnya akan tergolong sampel
genap, sementara sisanya, entry 1, 3, 5, dan seterusnya akan tergolong sampel ganjil.
Menggunakan PCI bus, board akan mentrasfer data analog input ke 256 KB circular
buffer yang disediakan oleh harddisk komputer. Board akan memperlakukan buffer ini
sebagai dua blok memori berukuran 128 KB.
Device Driver dari DT3010 akan mengakses circular buffer untuk mengisi nilai
buffer yang dialokasikan di software. Direkomendasikan untuk menggunakan minimum
tiga buah buffer untuk operasi input analog. Berikut adalah buffer wrap mode yang
tersedia:
1.
None – Apabila wrap mode adalah none, maka data akan diberikan ke alokasi
buffer hingga tidak ada lagi buffer yang kosong, kemudian operasi akan
berhenti.
2.
Multiple – Apabila wrap mode adalah multiple, maka data akan diberikan ke
alokasi multiple buffer secara kontinyu, ketika tidak ada lagi buffer yang
tersedia, board akan melakukan overwrite pada data yang telah terisi, dimulai
dari lokasi pertama dari buffer pertama. Proses ini akan terus-menerus
berulang hingga diberhentikan oleh operator.
3.
Single – Apabila wrap mode adalah single, data akan diberikan ke alokasi
single buffer secara kontinyu, ketika tidak ada lagi buffer yang tersedia, board
akan melakukan overwrite pada data yang telah terisi, dimulai dari lokasi
pertama dari buffer pertama. Proses ini akan terus-menerus berulang hingga
diberhentikan oleh operator.
116
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008
Buffer wrap mode yang digunakan pada sistem akusisi data Sistem Pendeteksi
Gaya Multi Axis adalah jenis multiple, hal ini disesuaikan dengan jenis operasi kontinyu
dengan jumlah channel yang lebih dari satu.
III.5.2 Rangkuman Konfigurasi Akusisi Data Sistem Pendeteksi
Gaya Multi Axis
Berikut adalah rangkuman konfigurasi yang digunakan dalam sistem akuisisi data
pada alat Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis:
Tabel 3. 10 Konfigurasi Akuisisi Data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis
No
Kategori
Spesifikasi
Keterangan
1
Resolusi
12 bit
Spesifikasi standar
DT3010
2
3
Channel-Gain List
Sumber A/D sample
Entry 0
Channel 0 gain 8
Entry 1
Channel 1 gain 8
Entry 2
Channel 2 gain 8
Entry 3
Channel 3 gain 8
Entry 4
Channel 4 gain 8
Internal
Spesifikasi standar
clock
4
Frekuensi A/D sample
DT3010
1000 Hz
Kelipatan jumlah entry
clock
5
Metode konversi input
Continuously-
analog
Paced Scan
6
Sumber trigger
Software
7
Metode akuisisi trigger
Pre-trigger
8
Format data
bipolar
- 5 volt s/d 5 volt
8
Jumlah buffer
4
Harus lebih dari 3
9
Buffer wrap mode
multiple
117
Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008