1 karakteristik sensor

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

(Dengan nama Allah yang Mahapengasih Mahapenyayang)

Hampir sebagian besar aktivitas kehidupan kita saat ini bergantung pada alat-alat elektronik. Dan, hampir sebagian besar peralatan elektronikbaik sebagai alat ukur maupun alat kontrolmemerlukan komponen elektronik bernama sensor. Itulah sebabnya kita perlu mengenal lebih jauh tentang sang penghubung antara peralatan elektronik dan dunia fisis ini. Selama satu semester ke depan, kita akan membahas ujung tombak sistem instrumentasi elektronik ini dalam matakuliah

(3 sks)Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Tujuan Umum Memberikan gambaran tentang prinsipprinsip fisika dasar yang membentuk landasan kerja sensor, sehingga mampu merangsang kreativitas mahasiswa untuk memilih cara-cara alternatif yang lebih sederhana dalam merancang suatu sistem pengukuran maupun sistem kontrol.

Jurusan Fisika Universitas Andalas

[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

SinopsisDalam kuliah ini akan dibahas tentang: Pengertian dasar (definisi), klasifikasi, dan prinsip-prinsip fisis penginderaan (physical principles of sensing) Karakteristik, prinsip kerja, dan aplikasi beberapa macam sensor. Pengertian tentang sensor cerdas (smart sensor).Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Buku Acuan Fraden, J., Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, Second Edition, Springer-Verlag New York, Inc., New York, USA, 2004. Ripka, P. dan Tipek, A., Modern Sensors Handbook, ISTE Ltd, London, UK, 2007. Gopel, W., Hesse, J., Zemel, J. N., Sensor, Fundamentals and General Aspects, Vol. 1, VCH Verlanggesellschaff, Weinheim, 1989. Gopel, W., Hesse, J., Zemel, J. N., Sensor, Mechanical Sensors, Vol. 7, VCH Verlanggesellschaff, Weinheim, 1992.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Aturan(Kesepakatan Bersama) Sistem Penilaian: - Tugas = 15% - Kuis = 15% - UTS = 35% - UAS = 35% Sanksi: - Mahasiswa tidak diperkenankan mengikuti kuliah pada hari itu jika terlambat 15 menit. - Mahasiswa tidak diperkenankan mengikuti UAS jika kehadirannya selama 1 (satu) semester kurang dari 75%. - Mahasiswa yang kedapatan/terdeteksi melakukan kecurangan dalam ujian, baik yang memberi maupun yang menerima, akan mendapatkan sanksi nilai 0 (nol) untuk nomor soal ybs.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Definisi Sensor, berasal dari kata sense (= merasakan atau mengindera), adalah

Suatu piranti (device) yang menerima sinyal atau rangsangan (stimulus) dan merespon sinyal tersebut dengan mengonversinya menjadi sinyal elektris. (Fraden, 2004) Proses pengonversian besaran fisis menjadi sinyal elektris yang dapat diumpankan ke instrumen elektronik disebut transduksi (transduction).


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Definisi (lanjutan) Rangsangan (stimulus) = besaran, sifat (property), atau kondisi fisis yang diindera dan dikonversi menjadi sinyal elektris (electrical signal). Besaran, sifat (property), atau kondisi fisis yang diterima sensor itu dapat berupa: cahaya, temperatur, perpindahan (displacement), aliran fluida atau gas, beda potensial listrik, dan lain sebagainya. Jadi, bentuk fisis rangsangan itu dapat bersifat: mekanis (mechanical), panas (thermal), magnetik (magnetic), listrik (electric), optis (optical), kimia (chemical), Sinyal elektris = sinyal yang dapat disalurkan (chanelled), dikuatkan (amplified), dan dimodifikasi (modified) oleh piranti elektronik. Yang termasuk sinyal elektris : tegangan, arus, muatan listrik, frekuensi, kapasitansi, resistansi, lebar pulsa, dlsb.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Sensor, Elemen Sensor & Sistem SensorMenurut Hesse dan Kuttner (1983) serta Scholz (1986) dalam buku Sensors, A Comprehensive Survey, Volume 1: Elemen sensor (alias sensor elementer) = elemen utama (the primary element) suatu sensor. Contoh: - Chip sensor tekanan dari bahan semikonduktor. - Strain gauge.

Sensor = elemen sensor yang telah dilengkapi dengan rumah dan koneksi elektrisnya.Sistem Sensor = sensor yang telah dilengkapi dengan pemeroses sinyal (signal processing)analog maupun digital.

Catatan: Untuk keperluan praktis, perbedaan antara sensor dan elemen sensor ini tidak dipermasalahkan. Begitu pula perbedaan antara sensor dan sistem sensor. Apalagi dengan adanya konsep sensor cerdas (smart or intelligent sensors), pembedaan itu menjadi semakin tidak jelas.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Transduser: Sensor & Aktuator

Drs. Wildian, M.Si.

Transduser = piranti yang mengonversi suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya (Fraden, 1996). Dalam suatu sistem instrumentasi elektronik, transduser dapat dikatagorikan sebagai sensor ataupun aktuator.

- Sensor merupakan transduser masukan (input transducer)yaitu transduser yang mengubah besaran fisis menjadi besaran elektris. Contoh: mikrofonmengubah getaran akustik mekanis menjadi sinyal listrik.- Aktuator merupakan transduser keluaran (output transducer)yaitu transduser yang mengubah besaran elektris menjadi besaran fisis dalam bentuk gerak (motion) atau tindakan (action). Contoh: loudspeakermengubah (transduces) sinyal frekuensi audio yang sudah dalam bentuk sinyal listrik menjadi medan magnetik yang berubah-ubah, sehingga menyebabkan terjadinya getaran akustik mekanis.Sinyal masukan (besaran fisis) Sensor Pengolah sinyal Aktuator Transduser keluaranLoudspeaker

Sinyal keluaran (besaran fisis)

Transduser masukan

PenguatMikrofon kondenser Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Sensor & Sistem Instrumentasi Elektronik Sensor merupakan ujung tombak suatu sistem instrumen elektronik (terutama pada sistem pengukuran dan sistem kontrol). Sensor membantu instrumen elektronik untuk mendengar, melihat, mencium (smell), mengecap (taste), dan menyentuh (touch) dunia fisis dengan mengubah/mengonversi sinyal fisis atau kimia suatu obyek menjadi sinyal elektris. Catatan:Sinyal Eksitasi

Dalam sistem instrumentasi, eksitasi = catudaya


[email protected]

Sistem Sensor

Dari Sensor ke Pengguna (User)

Drs. Wildian, M.Si.

Sensor menerima rangsangan berupa besaran fisis dan kemudian mengubahnya menjadi sinyal elektris. Sinyal elektris ini boleh jadi sangat lemah (sehingga perlu dikuatkan) atau mengandung noise yang cukup mengganggu (sehingga perlu ditapis). Dengan kata lain, sinyal dari besaran fisis ini perlu dikondisikan terlebih dahulu oleh pengondisi sinyal sebelum diproses lebih lanjut. Jika pemerosesan sinyal dilakukan secara digital, maka sinyal elektris yang umumnya bertipe analog ini harus diubah dulu ke bentuk digital dengan menggunakan ADC (analog-to-digital converter). Pengguna (user) pada diagram blok di atas adalah manusia. Oleh sebab itu, keluaran sistem instrumen biasanya merupakan suatu tampilan visual, seperti skala meteran ataupun pada layar monitor CRT (cathode ray tube); atau bisa juga dalam bentuk audio seperti ucapan ataupun [email protected]


Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Sensor Aktif & Sensor Pasif Sensor Aktif = sensor yang memerlukan sumber listrik ac atau dc dari luar (eksternal) untuk dapat berfungsi. Contoh: Strain gauge (sensor tekanan) perlu catudaya dc konstan +7,5 V. Tanpa potensial eksitasi eksternal, tak ada sinyal keluaran dari sensor tsb.

Strain Gauge

Sensor Pasifif = sensor yang mampu menyediakan energinya sendiri atau mengambil energi dari fenomena fisis yang hendak diukurnya. Contoh: Termokopel (sensor temperatur) dari panas yang diinderanya dihasilkan tegangan.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Tahapan dalam Memilih Sensor1. 2. 3. Identifikasi besaran fisis (stimulus) yang hendak diukur. Spesifikasi besaran fisis tersebut. Pastikan keakuratan yang diperlukan, lamanya pengujian/pengukuran, dan perilaku siklik sensor atau faktorfaktor lainnya. Pertimbangkan lingkungan di mana sensor akan ditempatkan. Jangan lupa mengalibrasi sensor. (Perhatikan interval dan tipe pengalibrasiannya.)

4. 5.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Klasifikasi SensorMenurut tipe energi yang dideteksinya, ada 6 (enam) bentuk energi yang dapat dikonversi menjadi sinyal elektris, yaitu: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Energi Mekanik Sinyalnya berupa gaya, tekanan, kecepatan, percepatan, dan posisi. Energi Magnetik Sinyalnya berupa intensitas medan magnetik, kerapatan fluks, dan magnetisasi. Energi Radiasi Elektromagnetik Sinyalnya berupa besaran-besaran gelombang elektromagnetik seperti intensitas, panjang gelombang, polarisasi, dan fasa. Energi Radiasi Nuklir Sinyalnya berupa intensitas radiasi. Energi Panas (thermal) Sinyalnya berupa temperatur, fluks kalor (heat flux), atau aliran kalor. Energi Kimia Sinyalnya berupa besaran internal zat seperti konsentrasi material tertentu, komposisi, atau laju reaksi.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Jenis energi yang dapat dikonversi menjadi sinyal listrik (Buchla & McLachlan)Jenis energi Mekanik Magnetik Contoh Sensor Keterangan Strain gauge Sensor Efek Hall Antena Regangan sebanding dengan perubahan resistansi Arus yang mengalir di dalam konduktor piranti Efek Hall menghasilkan tegangan. Mengubah energi elektromagnetik menjadi energi listrik (antena penerima).

Radiasi Elektromagnetik Radiasi nuklir

Kamar Ionisasi Arus listrik di antara elektroda(Ionization elektrodanya sebanding dengan radiasi chamber) pengionan (ionizing radiation). Termokopel Tegangan keluarannya sebanding dengan selisih temperatur kedua kawat logam yang digabungkan pada salah satu ujungnya. Ukuran konsentrasi ion hidrogen di dalam suatu [email protected]

Panas

Kimia

Sensor pH


Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Contoh TA dengan SensorSistem Peringatan Dini Tsunami Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Dengan Sensor Fotodioda

Oleh:Yustinar (06214055), S2.

Rancang-bangun Sistem Penginderaan Laju Surut Air Dengan Sensor Fotodioda Oleh: Fuad Syukri (03135012 ), S1.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor No. 1. 2. 3. 4.

Tugas 1Besaran masukan

Drs. Wildian, M.Si. Besaran keluaran

Nama Sensor/transduser Termokopel Termistor RTD LDR

5.6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

LEDFotodioda Sel Surya (Solar Cell) Mikrofon Loudspeaker Load Cell Strain Gauge Piezo-electric Crystal GMR

14.15.

[email protected]


Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Tahapan Pengonversian Sinyal Sebelum menghasilkan sinyal elektris, sebuah sensor boleh jadi memiliki beberapa tahap pengonversian. Contoh: Tekanan yang diberikan pada sensor optik-serat (fiberoptic) pertama-tama akan mengakibatkan regangan di dalam serat tersebut, sehingga indeks biasnya berubah, yang pada gilirannya mengakibatkan perubahan menyeluruh dalam transmisi optis dan modulasi kerapatan foton. Akhirnya, fluks foton terdeteksi dan dikonversi menjadi arus listrik.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Sinyal Masukan & Sinyal Keluaran Sinyal masukan sensor = besaran fisis (variabel) yang hendak diukur (lazim disebut measurand). Contoh: Tekanan di dalam aktuator hidrolik pesawat terbang. Tekanan ini bervariasi dari 0 hingga 3000 psi. Sinyal keluaran sensor = sinyal listrik analog yang dihasilkan sensor. Contoh: Tegangan 5 V sebagai representasi tekanan 3000 psi.


[email protected]

Karakteristik SensorKarakteristik sensor:- Karakteristik statik - Karakteristik dinamikKarakteristik Statik = Sifat-sifat sensor setelah semua efek peralihan (transient effects) mencapai keadaan stabil (steady state).No. Statik 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Akurasi Presisi Resolusi Sensitivitas Linieritas Kesalahan kalibrasi Histeresis Keluaran skala penuh Saturasi Kemampuan pengulangan Dead band Span Drift Impedansi keluaran Karakteristik

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Dinamik Fungsi transfer Tanggapan frekuensi Tanggapan impuls Tanggapan perubahan masukan

Karakteristik Dinamik = Sifat-sifat sensor yang berubah ketika merespon sinyal masukan.

11 12 13 14

15

Eksitasi


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Rentang Rentang sensor = nilai maksimum dan nilai minimum parameter (bersaran) masukan yang dapat diukur. Contoh: NTC thermistor sensors are normally used for a temperature range of -40C to +300C. Kurva karakteristik sensor diperlukan untuk mengetahui di mana dan kapan sensor tersebut bisa digunakan secara linier.

NTC THERMISTORS

(http://www.epcos.com)Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Lebar-rentang

Lebar-rentang (span), disebut juga skala penuh masukan (input full scale, disingkat FS), adalah rentang pada sumbu-x dari nol hingga nilai maksimum yang aman digunakan. Lebar-rentang sering dinyatakan sebagai daerah antara titik 0% dan titik 100%. Lebar-rentang = selisih aljabar antara batas atas dan batas bawah rentang.

Lebar-rentang = Xmaks Xmin

Contoh: Dalam rentang dua temperatur, -25oC hingga 100oC. -25oC batas rentang bawah 100oC batas rentang atas Lebar-rentang = 100oC (-25oC) = 125oCJurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Keluaran Skala Penuh

Keluaran skala penuh (full scale output, FSO) adalah selisih aljabar antara dua sinyal keluaran dari nilai masukan maksimum dan nilai masukan terendah yang diterapkan terhadap sensor. FSO haruslah mencakup semua deviasi (yang diukur) dari fungsi transfer ideal.

Fraden, J., 2004, Handbook of modern sensors : physics, designs, and applications.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Titik Nol Titik nol (the zero point) merupakan hal yang penting diketahui ketika kita hendak mengumpulkan data pengukuran. Titik nol adalah titik awal (the starting point) di mana suatu variabel hendak diukur. Contoh: Sensor tekanan (a pressure gauge) tak dapat dinol-kan pada tekanan atmosfer. Artinya, titik nolnya tidaklah nol.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

OffsetKeluaran

Offset (gelinciran) = nilai keluaran yang sudah terlebih dahulu ada ketika nilai masukannya masih nol (belum ada). Offset bukanlah suatu keadaan yang diinginkan, dan biasanya dipandang sebagai suatu besaran penyimpangan (an error quantity).

y 100% FSO Kurva sesungguhnya (actual) Kurva yang diharapkan (ideal) x 0 Masukan 100% FS

Offset

Namun, apabila offset memang sengaja diadakan (deliberately set up), penyimpangan ini disebut bias.Jurusan Fisika Universitas Andalas

NB: Istilah bias di sini harap dibedakan dengan pengertian bias pada istilah forward biased maupun reverse biasedyang berarti pemberian panjar alias [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Fungsi Transfer Hal terpenting yang perlu kita ketahui ketika mengkarakterisasi sebuah sensor adalah fungsi transfernya.

Fungsi transfer (fungsi alih) = fungsi yang memperlihatkan hubungan antara sinyal keluaran sensor (berupa sinyal elektris) dan sinyal masukannya (stimulus/besaran fisis).

Besaran fisis (masukan)Sinyal elektris (keluaran)

Sinyal masukan sensor dapat berupa temperatur, intensitas cahaya, kecepatan, gaya, dlsb.Sinyal keluaran sensor dapat berupa tegangan, resistansi, kapasitansi, dlsb. [Catatan: Sinyal keluaran sensor (resistansi, kapasitansi, frekuensi,) umumnya dimodifikasi ke bentuk tegangan.][email protected]


Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Ragam Bentuk Fungsi TransferFungsi transfer dapat berupa: y a bx Hubungan linier sederhana: a dan b bernilai konstan, dengan a = offset (gelinciran), yaitu sinyal keluaran pada saat sinyal masukannya nol, dan b adalah slope (= kemiringan suatu garis lurus), yang sering juga disebut sensitivitas (sensitivity). Hubungan yang tak-linier, seperti: - fungsi logaritmik:

y a b ln x

- fungsi eksponensial:- fungsi pangkat:Jurusan Fisika Universitas Andalas

y a e kxy a0 a1 x [email protected]

dengan k adalah suatu bilangan konstan.

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Contoh Fungsi Transfer Berikut ini adalah fungsi transfer sensor tekanan MPX2100DP yang digunakan sebagai sensor tekanan darah pada rancang-bangun Tensimeter Digital (Yeni Marnis, Skripsi S1, 2009), dengan x adalah tekanan yang diterima sensor (dalam kPa), dan y adalah sinyal keluaran sensor berupa tegangan (dalam mV).

Fungsi transfer pada grafik tsb50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -15 10 35(y = 2,5019 x 0,1472)

y = 2.5019x - 0.1472 R2 = 0.9998

menginformasikan bahwa sensor ini mengonversi setiap perubahan tekanan sebesar 1 kPa menjadi perubahan tegangan sebesar kira-kira 2,5 mV.110

Tegangan (mV)

60

85

Tekanan (kPa)Jurusan Fisika Universitas Andalas

Jadi, sensitivitas sensor tsb adalah 2,5019 mV/kPa, dan gelincirannya adalah -0,1472 [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Fungsi Transfer yang Tak-linier Untuk fungsi transfer yang tak-linier, sensitivitas bukan merupakan bilangan tetap sebagaimana yang berlaku pada hubungan linier. Dalam hal ini

dy( x0 ) b dx Sensor yang tak-linier dapat dipandang linier dalam suatu rentang tertentu yang terbatas. Di luar rentang tersebut, fungsi transfer yang tak-linier itu dapat dimodelkan oleh beberapa garis lurus. Cara ini disebut aproksimasi piece-wise.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Linieritas

Drs. Wildian, M.Si.

Linieritas (linearity) atau kelinieran = kedekatan kurva kalibrasi terhadap suatu garis lurus tertentu.

Istilah kelinieran pada kenyataannya berarti ketaklinieran (nonlinearity). Ketaklinieran = deviasi maksimum (L) suatu fungsi transfer riel dari garis lurus hampiran (approximation straight line). Ketaklinieran dinyatakan dalam % FSO, atau dalam bentuk nilai terukurnya, misalnya dalam kPa atau 0C. Cara menentukan ketaklinieran: - Menggunakan titik-titik terminal (terminal points) - Menggunakan metoda kuadrat terkecil (method of least squares) - Menggunakan perangkat-lunak Microsoft Office EXCEL.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Menggunakan Titik-titik Terminal1. Tentukan nilai-nilai keluaran pada nilai masukan tertinggi dan nilai masukan terendah. Gambarkan suatu garis lurus yang melalui kedua titik ini (garis 1). Di dekat titik-titik terminal, kesalahan ketaklinieran-nya paling kecil, dan menjadi lebih besar pada titik-titik yang berada di antara kedua titik tsb.Garis 2 adalah garis lurus paling cocok.Jurusan Fisika Universitas Andalas

2.

Fraden, J., 2004, Handbook of modern sensors : physics, designs, and [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Menggunakan Metoda Kuadrat Terkecil Ukurlah beberapa (n) nilai keluaran pada nilai-nilai masukan dalam suatu rentang yang lebar; lebih disukai dalam rentang skala penuh (FSO). Untuk regresi linier, gunakanlah rumus-rumus berikut untuk menentukan titik perpotongan, a, dan kemiringan (slope), b, dari garis lurus paling cocok tsb (the best-fit straight line):Jurusan Fisika Universitas Andalas

y x 2 x xy a n x 2 ( x) 2

n xy x y b 2 2 n x ( x )x = nilai masukan (input) y = nilai keluaran (output)[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Menggunakan EXCEL1. 2. 3. 4. Buka Microsoft Office Excel Ketikkan nilai-nilai masukan (x) pada kolom A dan nilai-nilai keluaran (y) pada kolom B. (Boleh juga kolom-kolom lain, asalkan kolom x lebih dahulu dari kolm y.) Blok nilai-nilai tsb, lalu klik Chart Wizard pada Toolsbar. Pilih XY (Scatter) yang terdapat pada Standard Types, lalu klik Next. Ketik judul grafik pada Chart Title [misalnya: Karakteristik Sinyal Keluaran Sensor], nama besaran masukan [misal: Temperatur (oC)], dan nama besaran keluaran [misal: Tegangan (mV)], lalu klik Next, dan selanjutnya klik Finish. Arahkan kursor ke salah satu titik data pada kurva, lalu klik kanan dan pilih Add Trendline. Pilih Linear pada Type, lalu klik Options dan pilih Display equation on chart serta Display R-squared value on chart sehingga muncul persamaan linier dan nilai R2 pada grafik.

5.

6. 7.


[email protected]

Sistem Sensor X (oC) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Y (mV) 0 2 4.3Tegangan (mV)

Hasilnya.25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 Temperatur (oC)

Drs. Wildian, M.Si.

Karakteristik Sinyal Keluaran Sensory = 2.0055x + 0.0273 R2 = 0.9986 Series1 Linear (Series1)

6.1 7.9 10 11.5 14.5 16.2 18 20.1

R = koefisien korelasi

Persamaan linier (fungsi transfer) dari karakteristik sensor tsb:

y = 2,0055 x + 0,0273OffsetJurusan Fisika Universitas Andalas

: a = 0,0273 mV

Sensitivitas : b = 2,0055 mV/oC [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

desibel (dB) Untuk sensor-sensor dengan karakteristik respon yang sangat lebar dan tak-linier, rentang dinamik stimulus masukan sering dinyatakan dalam desibel (dB), yaitu ukuran logaritmik nisbah (ratio) daya atau pun gaya (tegangan).

Desibel = 10 kali log nisbah daya:P2 1 dB 10 log P 1

Desibel = 20 kali log gaya (atau arus, atau tegangan):s2 1 dB 20 log s1Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Sensitivitas Sensitivitas sensor = masukan minimum parameter fisis yang akan mengakibatkan perubahan keluaran yang dapat terdeteksi, atau = perubahan tegangan keluaran sebagai akibat perubahan nilai parameter masukannya, atau = kemiringan (the slope) kurva karakteristik keluaran sensor (Dy/Dx). Sensor dengan sensitivitas tinggi (high sensitivity) lebih disukai karena dapat menghasilkan keluaran yang besar dengan masukan sinyal yang kecil.

Contoh: Sensor tekanan darah bisa memiliki tingkat sensitivitas sebesar 10 mV/mmHg, yang berarti akan ada tegangan keluaran 10 mV untuk tiap volt potensial eksitasi dan tiap mmHg tekanan yang diberikan.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor+Y(x)

Drs. Wildian, M.Si.

Kurva SensitivitasKurva sensitivitas ideal Kurva sensitivitas sesungguhnya

Ymaks

Rentang dinamik atau rentang total -x (0,0)

DY Dx

Sensitivit as : b

DY Dx

+x

Rentang dinamikYmin

= rentang total keluaran sensor = Keluaran skala penuh (Full Scale Output, FSO)

Rdin Ymaks Ym in-Y(x)

Terkait dengan sensitivitas, ada dua jenis kesalahan (errors) yang termasuk karakteristik suatu sensor, yaitu: saturasi dan dead-bands.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Hampir semua sensor memiliki batas-batas pengoperasian. Meskipun sensor tersebut dianggap linier, namun linieritasnya terbatas. Sensor bersifat responsif (menghasilkan sinyal keluaran yang sebanding dengan nilai masukannya) hanya sampai pada batas-batas tertentu. Bila stimulus (nilai masukan) terus ditingkatkan, sensor tidak lagi menghasilkan keluaran yang diharapkan. Dengan kata lain, sensitivitasnya menurun atau bahkan tidak sensitif sama sekali (b = 0). Saturasi (saturation) = daerah kerja sensor setelah rentang linier di mana responnya terhadap masukan tidak lagi menghasilkan keluaran yang diharapkan.Jurusan Fisika Universitas Andalas

SaturasiKeluaran

Masukan Rentang linier Saturasi

[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Dead-bands Daerah Mati (dead band) adalah ketidaksensitifan sensor dalam suatu rentang tertentu ketika sudah ada sinyal masukannya. Dalam rentang tersebut, sinyal keluarannya masih bertahan di dekat nilai tertentu (biasanya di sekitar nol) dalam suatu zona dead band keseluruhan. Perhatikan: Saturasi terjadi setelah ujung rentang linier, sedangkan dead-bands biasanya terjadi sebelum pangkal rentang linier fungsi transfer sensor.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Keluaran

Masukan

Dead band

Sistem Sensor

Akurasi

Drs. Wildian, M.Si.

Akurasi (accuracy), keakuratan, ketepatan = ukuran seberapa dekat nilai keluaran sensor terhadap nilai sebenarnya (the true value). NB: Nilai sebenarnya = nilai sesungguhnya = nilai seharusnya = nilai idealnya.

Keakuratan sensor (ataupun alat ukur) dinyatakan oleh nilai ketakakuratannya. Jadi, akurasi di sini berarti ketakakuratan (inaccuracy), yaitu selisih maksimum antara nilai keluaran sensor dari nilai masukan ideal/sesungguhnya (actual input). Selisih = deviasi = kesalahan (error).

Kesalahan Mutlak Nilai Sesungguhn - Nilai Terukur yaKesalahan Mutlak Kesalahan Relatif Nilai SesungguhnyaJadi, dalam bentuk persen kesalahan, akurasi dirumuskan sebagai

Nilai Sesungguhnya - Nilai Terukur Akurasi 100 % Nilai SesungguhnyaJurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Menghitung KesalahanSebuah sensor perpindahan (displacement sensor) memiliki sensitivitas ideal b = 1 mV/mm. Itu berarti, sensor ini idealnya mampu membangkitkan 1 mV per 1 mm perpindahan. Namun, dalam praktiknya, sensor tersebut menghasilkan tegangan keluaran sebesar, misalnya, y = 10,5 mV untuk perpindahan sejauh x = 10 mm. Dengan mengonversi-balik nilai tegangan keluaran (y) ini menjadi perpindahan (x) tanpa kesalahan, yaitu 1/b = 1 mm/mV, maka diperoleh perpindahan sebesar x = 10,5 mm. Jadi, ada selisih sebesar x - x = 0,5 mm lebih besar dari nilai sebenarnya/aktualnya. Kelebihan 0,5 mm inilah yang disebut deviasi alias simpangan alias kesalahan (error) dalam pengukuran tersebut. Oleh sebab itu, dalam rentang 10-mm itu, ketakakuratan atau kesalahan mutlak sensor ini adalah 0,5 mm, dan kesalahan relatifnya adalah (0,5 mm/10 mm) x 100% = 5%.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Tingkat Keakuratan Tingkat keakuratan (accuracy rating) meliputi efek gabungan dari variasi bagian-per-bagian (part-to-part variations), histeresis, dead band, kesalahan-kesalahan kalibrasi dan repeatability.

Tingkat keakuratan dapat direpresentasikan dalam beberapa bentuk: - Langsung dalam bentuk nilai yang terukur (). - Dalam persen lebar-rentang skala penuh (span) - Dalam bentuk sinyal keluaran. Contoh: Sebuah sensor piezoresistif mempunyai skala penuh masukan 100 kPa dan keluaran skala penuh 10 . Ketakakuratannya dapat ditentukan sebagai 0,5%, atau 500 Pa, atau 0,05 . Pada sensor modern, spesifikasi ketakakuratan seringkali digantikan oleh suatu nilai ketakpastian (uncertainty) yang lebih komprehensif karena ketakpastian terdiri dari seluruh efek distorsi/gangguan, baik yang sistematik maupun yang acak, dan tidak terbatas pada ketakakuratan suatu fungsi transfer.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Presisi Presisi (precision) = Kemampuan alat ukur untuk memberikan pembacaan yang sama ketika pengukuran besaran yang sama dilakukan secara berulang pada kondisi yang sama. NB: Oleh karena sensor merupakan ujung tombak alat ukur, maka definisi di atas juga berlaku untuk sensor. Presisi menggambarkan seberapa dekat nilai-nilai hasil pengukuran antara satu dengan yang lain dalam suatu pengukuran yang berulang. Dengan kata lain, presisi menggambarkan tingkat ketelitian alat ukur.


[email protected]

Sistem Sensor

Presisi vs. Akurasi.jika nilai tersebut :

Drs. Wildian, M.Si.

Nilai yang diperoleh dari suatu eksperimen dikatakan: akurat (accurate)

dekat dengan nilai sesungguhnya, tetapi ketakpastiannya bisa sembarang (bisa besar atau kecil).

teliti (precise)

memiliki ketakpastian yang kecil, tetapi ini bukan berarti nilai tersebut dekat dengan nilai sesungguhnya.dekat dengan nilai sesungguhnya dan sekaligus memiliki ketakpastian yang kecil.

akurat dan teliti


[email protected]

Sistem Sensor

Presisi vs. Akurasi

Drs. Wildian, M.Si.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Presisi vs. AkurasiPresisi Akurasi

Reproducibility Ketepatan Diuji dengan cara pengukuran Diuji dengan menggunakan berulang metode yang berbeda Presisi yang rendah (poor Akurasi yang rendah berasal precision) berasal dari dari kesalahan prosedural cara/teknik pengukuran yang atau kerusakan alat. kurang baik.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Presisi & Akurasi Presisi tidak mempengaruhi akurasi.

Hasil pengukuran yang presisi belum tentu akurat, dan sebaliknya. Hasil pengukuran yang baik itu adalah akurat dan sekaligus presisi. Prioritas utama yang harus dicapai dalam pengukuran adalah menghasilkan suatu pengukuran yang tepat (akurat), karena ketelitian (precision) tanpa ketepatan (accuracy) hanya akan menyesatkan (misleading).Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Contoh Berikut ini hasil pengukuran titik didih air dengan dua sensor (alat ukur) yang berbeda (termokopel dan termometer air-raksa): Alat ukur A (termokopel): Td air = (92,49 0,04)oC Alat ukur B (termometer): Td air = (100,2 0,2)oC Berdasarkan kedua hasil pengukuran tsb dapat disimpulkan: Alat ukur A lebih presisi daripada B karena hasil pengukuran dengan alat ukur A memiliki ketakpastian yang lebih kecil ( 0,04oC).

Alat ukur B lebih akurat daripada A karena nilai rata-rata titik didih air yang diukur dengan alat ukur B (yaitu: 100,2oC) lebih dekat dengan nilai sesungguhnya (100oC).


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

RepeatabilityKeluaran y 100% FSO Kurva 1 Kurva 2

Repeatability = Selisih antara dua pembacaan keluaran (output readings) dalam suatu pengukuran berulang untuk suatu nilai masukan yang sama yang didekati dari arah yang sama dan dengan kondisi kerja yang serupa. Repeatability biasanya dinyatakan dalam % FSO. Syarat : 1. Proses pengukurannya sama 2. Pengamatnya sama 3. Instrumen (alat ukurnya) sama, dan digunakan pada kondisi yang serupa. 4. Lokasi pengukurannya sama 5. Pengulangan pengukuran dilakukan dalam selang waktu yang [email protected]

Repeatability

X Masukan

x 100% FS

John G. Webster: Measurement, Instrumentation, and Sensors, 1999 by CRC Press LLC. Jurusan Fisika Universitas Andalas

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Keluaran y 100% FSO Kurva 1 Kurva 2

Hysteresis = Selisih antara dua pembacaan keluaran (output readings) dalam suatu pengukuran berulang untuk suatu nilai masukan yang sama yang didekati dari arah yang berlawanan. Hysteresis biasanya dinyatakan dalam % FSO.

Histeresis

X Masukan

x 100% FS

Penyebabnya: Keterlambatan aksi elemen pengindera (Kasus pada sensor mekanik). Keterlambatan penjajaran momen-momen magnet dalam dalam merespon medan magnetik eksternal (Kasus pada sensor magnetik)[email protected]

Gopel, W.,1989, Sensors A Comprehensive Survey, Vol. 1.Jurusan Fisika Universitas Andalas

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Resolusi Pada beberapa sensor (misal: sensor potensiometrik dan detektor inframerah tetap), ketika masukannya berubah kontinu, sinyal keluarannya ternyata tak-kontinu (tidak mulus sempurna), meskipun di bawah kondisi tanpanoise. Sinyal keluaran ini berubah dalam bentuk jenjang-jenjang kecil (small steps). Resolusi = Kenaikan terkecil (the smallest increment) pada masukan yang menghasilkan kenaikan yang dapat terdeteksi pada keluaran sensor.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Cara Menyatakan Resolusi Untuk detektor tetap (the occupancy detector), resolusi dapat dinyatakan sebagai perpindahan minimum obyek dengan jarak yang sama sebesar 20 cm pada jarak 5 m. Untuk sensor sudut potensiometrik, resolusi dapat dinyatakan sebagai sudut minimum sebesar 0,5o. Terkadang, resolusi juga dinyatakan sebagai persen skala penuh (FS) alias rentang masukan. Contoh: untuk sensor sudut (the angular sensor) yang memiliki skala penuh 270o, maka resolusi sebesar 0.5o dapat dinyatakan sebagai Resolusi = (0.5o/ 270o) x 100% = 0,185% Resolusi sensor-sensor berformat keluaran digital diberikan oleh jumlah bit dalam data word. Contoh: resolusi dapat dinyatakan sebagai resolusi 8-bit (8-bit resolution) Untuk lebih meyakinkan, pernyataan ini harus dilengkapi dengan nilai skala penuhnya atau nilai LSB-nya (the value of least significant bit).Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Karakteristik Dinamik

Drs. Wildian, M.Si.

Ketika stimulus masukan berubah-ubah terhadap waktu, respon sensor umumnya tidak mampu mengikuti perubahan-perubahan itu dengan sempurna. Penyebabnya: sensor dan penggandengnya (its coupling) dengan sumber stimulus tidak selalu dapat merespon dengan seketika (instantly). Karakteristik sensor yang bergantung waktu disebut karakteristik dinamik (dynamic characteristic). Jika suatu sensor tidak dapat merespon seketika, maka nilai stimulus yang ditunjukkan (yang keluar dari sensor itu) boleh jadi sedikit berbeda dengan nilai stimulus yang sesungguhnya. Dikatakan bahwa sensor itu merespon dengan suatu kesalahan dinamik (dynamic error). Apabila sebuah sensor merupakan bagian dari suatu system kontol yang juga memiliki karakteristik dinamik sendiri, maka kombinasi kedua karakteristik dinamik itu dapat menyebabkan osilasi.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Menentukan Karakteristik Dinamik Karakteristik dinamik ditentukan dengan cara menganalisis sensor terhadap bentuk-bentuk gelombang masukan yang berubah terhadap waktu: impulse, step, ramp, sinusoidal, white noise.

Untuk menganalisis karakteristik dinamik sensor digunakan modelmodel dinamik (dynamic models).


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Model Dinamik Respon dinamik sensor biasanya dianggap linier. Oleh sebab itu, respon dinamik ini dapat dimodelkan oleh persamaan diferensial linier berkoefisien konstan:

Dalam praktiknya, model-model ini terbatasi untuk orde-orde pertama, kedua, dan ketiga. Model-model berorde lebih tinggi sangat jarang diterapkan.

Model-model dinamik ini biasanya dianalisis dengan transformasi Laplace, yang mengonversi persamaan diferensial tersebut menjadi pernyataan polinomial (a polynomial expression).


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Transformasi Laplace sebagai Perluasan Trans. Fourier Analisis Fourier terbatas hanya untuk sinyal-sinyal sinusoidal.

x(t ) sin t e

jt

Analisis Laplace juga dapat digunakan untuk menganalisis perilaku eksponensial.

x(t ) eJurusan Fisika Universitas Andalas

t

sin t e

( j ) t

[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Transformasi Laplace (review) Transformasi Laplace suatu sinyal yang berubah terhadap waktu, y(t), ditunjukkan oleh

L[y(t)] = Y(s) Variabel s merupakan suatu bilangan kompleks: s = + j - Komponen real mendefinisikan perilaku eksponensial yang real - Komponen imajiner mendefinisikan frekuensi perilaku yang bergetar (oscillatory behavior). Hubungan dasarnya:

Hubunganpenting lainnya:


[email protected]

Sistem Sensor

Transformasi Laplace (review)

Drs. Wildian, M.Si.

Penerapan transformasi Laplace ke model sensor menghasilkan

G(s) disebut fungsi transfer sensor tersebut. Posisi kutub-kutub fungsi transfer G(s), yaitu nol-nol penyebutnya, pada bidang-s menentukan perilaku dinamik sensor tersebut seperti - komponen-komponen osilasi (oscillating components) - Peluruhan eksponensial (exponential decays) - Ketakstabilan (instability)Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Lokasi Kutub dan Perilaku Dinamik


[email protected]

Sistem Sensor

Sensor-sensor Orde-Nol

Drs. Wildian, M.Si.

Sinyal masukan dan keluarannya dihubungkan dengan persamaan:

Orde-nol merupakan respon yang diharapkan dari sebuah sensor karena- Tak ada tundaan (no delays) - Bandwidth tak-hingga - Sensor ini hanya mengubah amplitudo sinyal masukannya.


Contoh sensor orde-nol: Potentiometer yang digunakan untuk mengukur perpindahan linier dan perpindahan putaran (rotary displacement). NB: Model ini tidak cocok digunakan untuk perpindahan yang berubah dengan cepat.

[email protected]

Sistem Sensor

Sensor Orde-1

Drs. Wildian, M.Si.

Sinyal masukan dan keluarannya dihubungkan dengan persamaan diferensial orde-1:

Sensor orde-1 memiliki satu elemen yang menyimpan energi dan satu lainnya melepaskan energi tsb. Bentuk responnya:


[email protected]

Sistem Sensor

Respon Sensor Orde-1

Drs. Wildian, M.Si.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Contoh Sensor Orde-1


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Sensor Orde-2


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Step Response Orde-2


[email protected]

Sistem Sensor

Respon Orde-2 (Lanjutan)

Drs. Wildian, M.Si.


[email protected]

Sistem Sensor

Contoh Sensor Orde-2

Drs. Wildian, M.Si.


[email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Waktu-pemanasan Waktu-pemanasan (warm-up time) = waktu yang diperlukan sejak penerapan daya (atau sinyal eksitasi) ke sensor hingga saat sensor itu dapat beroperasi dalam ketelitian tertentunya.

Banyak sensor memiliki waktu-pemanasan yang singkat, sehingga dapat diabaikan. Tetapi, ada beberapa detektor, khususnya yang beroperasi dalam lingkungan yang dikontrol secara termal (seperti termostat, misalnya) bisa memerlukan waktu-pemanasan beberapa detik atau bahkan bermenit-menit sebelum detektor tersebut beroperasi secara penuh dalam batas-batas ketelitian yang ditentukan.Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor

Respon frekuensi (frequency response) : - Mencirikan seberapa cepat suatu sensor dapat bereaksi terhadap perubahan yang terjadi pada stimulus masukan.- Dinyatakan dalam Hz atau rad/sec untuk mencirikan penurunan relatif (relative reduction) dalam sinyal keluaran pada frekuensi tertentu. Bilangan penurunan (atau disebut juga batas frekuensi) yang lazim digunakan adalah 3 dB. Bilangan ini menunjukkan pada frekuensi berapa frekuensi tegangan (atau arus) keluaran turun sebesar kira-kira 30%.

Drs. Wildian, M.Si. Respon Frekuensi

Batas respon frekuensi sering disebut frekuensi-potong atas (upper cutoff frequency), (fu) karena frekuensi ini dianggap sebagai frekuensi tertinggi yang dapat diproses oleh sensor.Jurusan Fisika Universitas Andalas

Respon frekuensi berhubungan langsung dengan respon kecepatan (speed response), yang didefinisikan dalam satuan-satuan stimulus masukan per satuan waktu. Respon mana (frekuensi ataukah kecepatan) yang akan digunakan untuk memilih sensor/detektor dalam suatu kasus, tergantung pada tipe sensor itu, aplikasinya, dan saran/preferensi [email protected]

Sistem Sensor

Drs. Wildian, M.Si.

Waktu Respon Waktu respon (response time) = selang waktu antara perubahan pada besaran yang diukur dan waktu alat ukur membaca nilai kesetimbangan baru. Respon ini sering didefinisikan dalam istilah waktu berikut: waktu mati (dead time), waktu naik (rise time), dan waktu menetap (settling time).

Sayer and Mansingh, 2000, Measurement, Instrumentation and Experiment Design in Physics and Engineering,Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

1 karakteristik sensor

Documents