1 karakteristiksensor 140124223237 phpapp01

7/17/2019 1 Karakteristiksensor 140124223237 Phpapp01

1/70

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si.

Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

(3 sks)

(Dengan nama Allah yang Mahapengasih Mahapenyayang)

Hampir sebagian besar aktivitas kehidupan kita saat inibergantung pada alat-alat elektronik. Dan, hampir sebagian

besar peralatan elektronikbaik sebagai alat ukur maupun alatkontrolmemerlukan komponen elektronik bernama sensor.Itulah sebabnya kita perlu mengenal lebih auh tentang sang!penghubung" antara peralatan elektronik dan dunia #isis ini.

$elama satu semester ke depan, kita akan membahas !uungtombak" sistem instrumentasi elektronik ini dalam matakuliah%%


2/70



Tuuan Umum

& Memberikan gambaran tentang prinsip-

prinsip #isika dasar yang membentuk

landasan kera sensor, sehingga mampu

merangsang kreativitas mahasis'a untuk

memilih ara-ara alternati# yang lebih

sederhana dalam meranang suatu sistem

pengukuran maupun sistem kontrol.


3/70



Sinopsis

Dalam kuliah ini akan dibahas tentang

& *engertian dasar (de#inisi),

klasi#ikasi, dan prinsip-prinsip #isis

penginderaan (physical principles ofsensing)

& +arakteristik, prinsip kera, dan

aplikasi beberapa maam sensor.& *engertian tentang sensor erdas

(smart sensor).


4/70



!uku Acuan

& raden, ., Handbook of Modern Sensors:Physics, Designs, and Applications,$eond dition, $pringer-/erlag 0e' 1ork,In., 0e' 1ork, 2$A, 3445.

& 6arr, .., Sensor and Circuits, *rentieHall, ngle'ood 6li##s, 0e' ersey, 3447.

& 8opel, 9., Hesse, ., :emel, . 0., $ensor,Fundamentals and eneral Aspects, /ol.

3, /6H /erlanggesellsha##, 9einheim,34;4.

& 8opel, 9., Hesse, ., :emel, . 0., $ensor,Mechanical Sensors, /ol.


5/70



Aturan"#esepakatan !ersama$

& Sistem %enilaian&

- >ugas ? 3@

- +uis ? 3@

- 2>$ ? 7@

- 2A$ ? 7@

& Sanksi&

- Mahasis'a tidak diperkenankan mengikuti kuliah

pada hari itu ika terlambat 3@ menit.

- Mahasis'a tidak diperkenankan mengikuti 2A$ ikakehadirannya selama 3 (satu) semester kurang dari


6/70



Definisi

& Sensor,berasal dari kata senseE (? merasakan atau mengindera),adalah

$uatu piranti (device) yang menerima sinyal atau

ran'san'an(stimulus) dan merespon sinyal tersebut

dengan mengonversinya menadi sin(al elektrisE. (raden,

=CCF)

& *roses pengonversian besaran #isis menadi sinyal elektris yangdapat diumpankan ke instrumen elektronik disebut transduksi

(transduction).


7/70



Definisi "lanutan$

& )an'san'an "stimulus$? besaran, si#at (property), atau kondisi#isis yang diindera dan dikonversi menadi sinyal elektris (electricalsignal).E

& !esaran, sifat "property$, ataukondisi fisisyang diterima sensoritu dapat berupa ahaya, temperatur, perpindahan (displacement),

aliran #luida atau gas, beda potensial listrik, dan lain sebagainya.adi, bentuk #isis rangsangan itu dapat bersi#at mekanis(mechanical), panas (thermal), magnetik (magnetic), listrik (electric),optis (optical), kimia (chemical),%

& Sin(al elektris? sinyal yang dapat disalurkan (chanelled),

dikuatkan(amplified), dan dimodifikasi(modified) oleh pirantielektronik.

1ang termasuk sin(al elektris tegangan, arus, muatan listrik,#rekuensi, kapasitansi, resistansi, lebar pulsa, dlsb.


8/70



Sensor, *lemen Sensor + Sistem Sensor

Menurut Hesse dan +uttner (34;7) serta $holG (34;5) dalam buku Sensors, AComprehensive Survey, Volume1& *lemen sensor(alias sensor elementer) ? elemen utama(the primary

element) suatu sensor.

6ontoh

- 6hip sensor tekanan dari bahan semikonduktor.

- Strain gauge.

& Sensor? elemen sensor yang telah dilengkapi dengan !rumah" dan koneksielektrisnya.

& Sistem Sensor? sensor yang telah dilengkapi dengan pemeroses sinyal(signal processing)analog maupun digital.

atatan&& 2ntuk keperluan praktis, perbedaan antara sensordan elemen sensorini

tidak dipermasalahkan. egitu pula perbedaan antara sensor dan sistemsensor. Apalagi dengan adanya konsep sensor cerdas(smart or intelligentsensors), pembedaan itu menadi semakin tidak elas.


9/70



Transduser& Sensor + Aktuator& Transduser? piranti yang mengonversi suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya (raden,

3445).

& Dalam suatu sistem instrumentasi elektronik, transduser dapat dikatagorikan sebagai sensorataupun aktuator.

- Sensormerupakan transduser masukan (input transducer)yaitu transduser yang mengubahbesaran #isis menadi besaran elektris.

6ontoh mikrofonmengubah getaran akustik mekanis menadi sinyal listrik.

- Aktuator merupakan transduser keluaran (output transducer)yaitu transduser yang mengubahbesaran elektris menadi besaran #isis dalam bentuk gerak (motion) atau tindakan (action).

6ontoh loudspeakermengubah (transduces) sinyal #rekuensi audio yang sudah dalam bentuksin(al listrikmenadi medan magnetik yang berubah-ubah, sehingga menyebabkan teradinyagetaran akustik mekanis.

Mikro#on kondenser

Loudspeaker

*enguat
http://wiki/Image:Oktava319.jpg


10/70



Sensor +Sistem nstrumentasi *lektronik

& $ensor merupakan uun' tom/aksuatu sistem instrumen elektronik(terutama pada sistem pengukuran dan sistem kontrol).

& $ensor membantu instrumen elektronik untuk menden'ar,E meli0at,EmenciumE (smellE), men'ecapE (tasteE), dan men(entu0E (touchE) dunia#isis dengan mengubahBmengonversi sinyal #isis atau kimia suatu obyekmenadi sinyal elektris.

atatan&

Dalam sistem instrumentasi,

eksitasi ? atudaya


11/70



Dari Sensor ke %en''una "!ser$

& Sensormenerima rangsangan berupa besaran #isis dan kemudianmengubahnya menadi sinyal elektris.

& $inyal elektris ini boleh adi sangat lemah (sehingga perlu dikuatkan) ataumengandung noise yang ukup mengganggu (sehingga perlu ditapis).Dengan kata lain, sinyal dari besaran #isis ini perlu dikondisikan terlebihdahulu oleh pen'ondisi sin(alsebelum diproses lebih lanut.

& ika pemerosesan sin(aldilakukan seara digital, maka sinyal elektris yangumumnya bertipe analog ini harus diubah dulu ke bentuk digital denganmenggunakan AD6 (analog-to-digital converter).

& %en''una(user) pada diagram blok di atas adalah manusia. leh sebab itu,keluaran sistem instrumen biasanya merupakan suatu tampilan visual,seperti skala meteran ataupun pada layar monitor 6J> (cathode ray tube)K

atau bisa uga dalam bentuk audioseperti uapan ataupun alarm.


12/70



Sensor Aktif + Sensor %asif

& Sensor %asifif? sensor yang mampu menyediakan energinya sendiriatau mengambil energi dari #enomena #isis yang hendak diukurnya.

onto0&

Termokopel (sensor temperatur) dari panas yang diinderanyadihasilkan tegangan.

& Sensor Aktif? sensor yangmemerlukan sumber listrik a atau

d dari luar (eksternal) untuk

dapat ber#ungsi.

onto0&

Strain 'au'e(sensor tekanan) perlu atudaya d konstan Lanpa potensial eksitasi eksternal,

tak ada sinyal keluaran dari

sensor tsb. $train 8auge


13/70



Ta0apan dalam Memili0 Sensor

3. Identi#ikasi besaran #isis (stimulus)(an' 0endak diukur.

1. Spesifikasibesaran #isis tersebut.

7. *astikan keakuratanyang diperlukan, laman(apenguianBpengukuran, dan perilaku sikliksensor atau #aktor-#aktor lainnya.

F. *ertimbangkan lin'kun'andi mana sensor akan ditempatkan.

@. angan lupa men'ali/rasi sensor. (*erhatikan interval dan tipepengalibrasiannya.)


14/70



#lasifikasi SensorMenurut tipe ener'i(an' dideteksin(a, ada 5 (enam) bentuk energi yang

dapat dikonversi menadi sin(al elektris, yaitu

1. EnergiMekanik$inyalnya berupa gaya, tekanan, keepatan, perepatan, dan posisi.

2. EnergiMagnetik$inyalnya berupa intensitas medan magnetik, kerapatan #luks, dan

magnetisasi.3. Energi Radiasi Elektromagnetik

$inyalnya berupa besaran-besaran gelombang elektromagnetikseperti intensitas, panang gelombang, polarisasi, dan #asa.

4. Energi Radiasi Nuklir$inyalnya berupa intensitas radiasi.

5. Energi Panas (thermal)

$inyalnya berupa temperatur, #luks kalor (heat flux), atau aliran kalor.

6. Energi Kimia$inyalnya berupa besaran internal Gat seperti konsentrasi material

tertentu, komposisi, atau lau rekasi.


15/70



Jenis ener'i (an' dapat dikonversi menadi sin(al listrik

"!uc0la + Mc2ac0lan$

Jenis energi Contoh Sensor Keterangan

Mekanik Strain gauge Regangan sebanding dengan perubahanresistansi

Magnetik Sensor EfekHall

Arus yang mengalir di dalam konduktorpiranti Efek Hall menghasilkantegangan.

Radiasi

Elektromagnetik

Antena Mengubah energi elektromagnetik menjadienergi listrik (antena penerima).

Radiasi nuklir Kamar onisasi(Ionization

chamber)

Arus listrik di antara elektroda!elektrodanya sebanding dengan radiasipengionan (ionizing radiation).

Panas "ermokopel "egangan keluarannya sebanding denganselisih temperatur kedua ka#at logamyang digabungkan pada salah satuujungnya.

Kimia Sensor pH $kuran konsentrasi ion hidrogen di dalam

suatu larutan.

Si S D Wildi M Si


16/70



onto0 TAden'an Sensor

>ensimeter Digital erbasis

Mikrokontroler Dengan$ensor >ekanan M*=3CCD*

leh

1eni Marnis (34567335), $3.

$istem *eringatan Dini >sunami

erbasis Mikrokontroler A>;4$@3Dengan $ensor otodioda

leh

1ustinar (38154377), $=.

Si t S D Wildi M Si


17/70



Tu'as 59o. 9ama Sensor:transduser !esaran masukan !esaran keluaran

3. >ermokopel

=. >ermistor

7. J>D

F. NDJ

@. ND

5. otodioda


18/70



Ta0apan %en'onversian Sin(al

& $ebelum menghasilkan sinyal elektris, sebuah sensorboleh adi memiliki beberapa tahap pengonversian.

& onto0&

>ekanan yang diberikan pada sensor optik-serat (fiber-optic) pertama-tama akan mengakibatkan regangan didalam serat tersebut, sehingga indeks biasnya berubah,yang pada gilirannya mengakibatkan perubahan

menyeluruh dalam transmisi optis dan modulasikerapatan #oton. Akhirnya, #luks #oton terdeteksi dandikonversi menadi arus listrik.

Si t S D Wildi M Si


19/70



Sin(al Masukan + Sin(al #eluaran

& Sin(al masukansensor ? besaran #isis (variabel) yanghendak diukur (laGim disebut measurand).

onto0&

>ekanan di dalam aktuator hidrolik pesa'at terbang.

>ekanan ini bervariasi dari C hingga 7CCC psi.

& Sin(al keluaransensor ? sinyal listrik analog yangdihasilkan sensor.

onto0&

>egangan @ / sebagai representasi tekanan 7CCC psi.

Si t S D Wildi M Si


20/70



#arakteristik Sensor

+arakteristik sensor

- +arakteristikstatik- +arakteristikdinamik

9o. #arakteristik

Statik Dinamik

3 Akurasi ungsi trans#er

= *resisi >anggapan #rekuensi

7 Jesolusi >anggapan impuls

F $ensitivitas >anggapan perubahan masukan

@ Ninieritas

5 +esalahan kalibrasi< Histeresis

; +eluaran skala penuh

4 $aturasi

3C +emampuan pengulangan

33 #ead band

3= Span

37 #rift

3F Impedansi keluaran

3@ $ksitasi

#arakteristik Statik

? $i#at-si#at sensor

setelah semua e#ek

peralihan (transienteffects) menapai

keadaan stabil (steady

state).

#arakteristik Dinamik? $i#at-si#at sensor yang

berubah ketika merespon

sinyal masukan.

Sistem Sensor Drs Wildian M Si


21/70



)entan'

&)entan' sensor? nilai maksimum dan nilai minimum parameter(bersaran) masukanyang dapat diukur.

& onto0&

0>6 thermistor sensors are normally used #or a temperature rangeo# -FCO6 to L7CCO6.

& +urva karakteristik sensor diperlukan untuk mengetahui di manadan kapan sensor tersebut bisa digunakan seara linier.

9T T;*)MST


22/70



2e/ar-rentan'

& 2e/ar-rentan'(span), disebut uga skala penuh masukan(input full scale,disingkat FS), adalah rentang pada sumbu-P dari nol hingga nilai maksimumyang aman digunakan.

& 2e/ar-rentan'sering dinyatakan sebagai daerah antara titik C dan titik 3CC.& 2e/ar-rentan' ? selisih alabar antara batas atas dan batas ba'ah rentang.

2e/ar-rentan' ="maks>"min

& onto0&

Dalam rentang dua temperatur, -=@o

6 hingga 3CCo

6.-=@o6 batas rentang ba'ah

3CCo6 batas rentang atas

Nebar-rentang ? 3CCo6 Q (-=@o6) ? 3=@o6



23/70



#eluaran Skala %enu0

& +eluaran skala penuh (full scaleoutput, FS


24/70



Titik 9ol

& Titik nol(the "ero point) merupakan hal yangpenting diketahui ketika kita hendakmengumpulkan data pengukuran.

& Titik noladalah titik a'al (the starting point) dimana suatu variabel hendak diukur.

& onto0&$ensor tekanan (a pressure gauge) tak dapat di-nol-kan pada tekanan atmos#er. Artinya, titik nol-nya tidaklah nol.



25/70



#ffset

#ffset (geliniran) ? nilaikeluaran yang sudahterlebih dahulu ada ketikanilai masukannya masihnol (belum ada).

'ffsetbukanlah suatukeadaan yang diinginkan,dan biasanya dipandangsebagai suatu besaranpen(impan'an(an error(uantity).

0amun, apabila offsetmemang sengaadiadakan (deliberately setup), penyimpangan inidisebut bias.

9!&Istilah biasE di sini harap dibedakan

dengan pengertian biasE pada istilah for)ard

biasedE maupun reverse biasedEyang

berarti pemberian panaralias te'an'an.



26/70



Fun'si Transfer

& Hal terpenting yang perlu kita ketahui ketika mengkarakterisasi sebuahsensor adalah #ungsi trans#ernya.

& Fun'si transfer(#ungsi alih) ? #ungsi yang memperlihatkan hubungan antarasinyal keluaran sensor (berupa sinyal elektris) dan sinyal masukannya(stimulusBbesaran #isis).

esaran #isis (masukan*

$inyal elektris (keluaran)

& $inyal masukan sensor dapat berupa temperatur, intensitas ahaya,keepatan, gaya, dlsb.

& $inyal keluaran sensor dapat berupa tegangan, resistansi, kapasitansi, dlsb.R6atatan $inyal keluaran sensor (resistansi, kapasitansi, #rekuensi,%)umumnya dimodi#ikasi ke bentuk tegangan.S



27/70



)a'am !entukFun'si Transfer

ungsi trans#er dapat berupa& ;u/un'an liniersederhana

a dan b bernilai konstan, dengan a? offset (geliniran), yaitu sinyal

keluaran pada saat sinyal masukannya nol, dan badalah slope(?

kemiringan suatu garis lurus), yang sering uga disebut sensitivitas

(sensitivity).

& ;u/un'an (an' tak-linier, seperti

- #ungsi logaritmik

- #ungsi eksponensial

- #ungsi pangkat

xbay +=

xbay ln+=

kxeay =

kxaay %& +=dengan kadalah suatu bilangan konstan.



28/70



onto0 Fun'si Transfer& erikut ini adalah #ungsi trans#er sensor tekanan M*=3CCD* yang digunakan sebagai

sensor tekanan darah pada ranang-bangun >ensimeter Digital (1eni Marnis, $kripsi $3,

=CC4), dengan$adalah tekanan yang diterima sensor (dalam k*a), dan yadalah sinyalkeluaran sensor berupa tegangan (dalam m/).

ungsi trans#er pada

gra#ik tsb

(y ? =,@C34 P Q C,3F


29/70



Fun'si Transfer (an' Tak-linier

& 2ntuk #ungsi trans#er yang tak-linier, sensitivitas bukanmerupakan bilangan tetap sebagaimana yang berlakupada hubungan linier. Dalam hal ini

& $ensor yang tak-linier dapat dipandang linier dalamsuatu rentang tertentu yang terbatas. Di luar rentangtersebut, #ungsi trans#er yang tak-linier itu dapatdimodelkan oleh /e/erapagaris lurus. 6ara ini disebutaproksimasipiece%&ise.

dxxdyb )( &=



30/70



2inieritas

& Ninieritas (linearity) atau kelinieran ? kedekatan kurva kalibrasi

terhadap suatu garis lurus tertentu.

& Istilah kelinieranE pada kenyataannya berarti ketaklinieranE(nonlinearity).

& +etaklinieran ? deviasi maksimum (L) suatu #ungsi trans#er riel darigaris lurus hampiran (approximation straight line).

& +etaklinieran dinyatakan dalam $, atau dalam bentuk nilaiterukurnya, misalnya dalam k*a atau C6.

& 6ara menentukan ketaklinieran

- Menggunakan titik-titik terminal(terminal points)

- Menggunakan metoda kuadrat terkecil(method of least s(uares)

- Menggunakan perangkat-lunak Miroso#t ##ie *?*2.



31/70



Men''unakan Titik-titik Terminal

3. >entukan nilai-nilai keluaranpada nilai masukan tertinggidan nilai masukan terendah.

=. 8ambarkan suatu garis lurusyang melalui kedua titik ini

(garis 3).

Di dekat titik-titik terminal,kesalahan ketaklinieran-nya

paling keil, dan menadi lebihbesar pada titik-titik yangberada di antara kedua titik tsb.

raden, ., =CCF, %andbook of modern sensors &

physics, designs, and applications.

8aris = adalah garis lurus

paling ook.



32/70



Men''unakan Metoda #uadrat Terkecil

& 2kurlah beberapa (n) nilaikeluaran pada nilai-nilaimasukan dalam suaturentang yang lebarK lebihdisukai dalam rentang skala

penuh ($).

& 2ntuk regresi linier,gunakanlah rumus-rumusberikut untuk menentukantitik perpotongan, a,dankemiringan (slope), b, darigaris lurus paling ook tsb(the best-fit straight line)

=

''

'

)( xxn

xyxxya

=

'' )( xxn

yxxynb

$? nilai masukan (input)

y? nilai keluaran (output)



33/70



Men''unakan*?*2

3. uka Miroso#t ##ie Pel

=. +etikkan nilai-nilai masukan (x) pada kolom A dan nilai-nilaikeluaran (y) pada kolom . (oleh uga kolom-kolom lain, asalkankolom P lebih dahulu dari kolm y.)

7. lok nilai-nilai tsb, lalu klik 6hart 9iGard pada >oolsbar.

F. *ilih 1 ($atter) yang terdapat pada $tandard >ypes, lalu klik0ePt.

@. +etik udul gra#ik pada 6hart >itle Rmisalnya +arakteristik $inyal+eluaran $ensorS, nama besaran masukan Rmisal >emperatur (o6)S,dan nama besaran keluaran Rmisal >egangan (m/)S, lalu klik 0ePt,dan selanutnya klik inish.

5. Arahkan kursor ke salah satu titik data pada kurva, lalu klik kanandan pilih Add >rendline.

ype, lalu klik ptions dan pilih Display eTuationon hartE serta Display J-sTuared value on hartE sehingga munulpersamaan linier dan nilai J= pada gra#ik.



34/70



;asiln(a.

& *ersamaan linier (#ungsi trans#er) dari karakteristik sensor tsb

y? =,CC@@xL C,C=


35/70

,


desi/el "d!$

& 2ntuk sensor-sensor dengan karakteristik respon yangsangat lebar dan tak-linier, rentang dinamik stimulusmasukan sering dinyatakan dalam desibel (d), yaituukuran logaritmik nisbah (ratio) daya atau pun gaya(tegangan).

& Desibel ? 3C kali log nisbah daya

& Desibel ? =C kali log gaya (atau arus, atau tegangan)

%

'log%&d%P

P=

%

'log'&d%s

s=



36/70

,


Sensitivitas

& Sensitivitas sensor=masukan minimum parameter #isis yang akan mengakibatkanperubahan keluaran yang dapat terdeteksi, atau %

= perubahan tegangan keluaran sebagai akibat perubahan nilaiparameter masukannya, atau%

= kemiringan (the slope) kurva karakteristik keluaran sensor (yBP).

& $ensor dengan sensitivitas tin''i(high sensitivity) lebih disukaikarena dapat menghasilkan keluaran yang besar dengan masukansinyal yang keil.

& onto0&

$ensor tekanan darah bisa memiliki tingkat sensitivitas sebesar 3C/BmmHg, yang berarti akan ada tegangan keluaran 3C / untuktiap volt potensial eksitasi dan tiap mmHg tekanan yang diberikan.



37/70

,


#urva Sensitivitas

)entan' dinamik

? rentang total keluaransensor

? +eluaran skala penuh (ull Scale 'utput, $)

minYYR maksdin =

>erkait dengan sensitivitas, ada dua enis kesalahan (errors) yang termasuk

karakteristik suatu sensor, yaitu saturasidan dead%bandsE.



38/70

,


Saturasi& Hampir semua sensor memiliki

batas-batas pengoperasian.Meskipun sensor tersebut dianggaplinier, namun linieritasnya terbatas.

$ensor bersi#at responsi#(menghasilkan sinyal keluaran yangsebanding dengan nilaimasukannya) hanya sampai padabatas-batas tertentu. ila stimulus(nilai masukan) terus ditingkatkan,sensor tidak lagi menghasilkankeluaran yang diharapkan. Dengankata lain, sensitivitasnya menurunatau bahkan tidak sensiti# samasekali (b? C).

& Saturasi(saturation) ? daerah kera

sensor setelah rentang linier dimana responnya terhadap masukantidak lagi menghasilkan keluaranyang diharapkan.



39/70


Dead%bands

& #aerah ati .dead band*adalah ketidaksensiti#ansensor dalam suatu rentangtertentu ketika sudah adasinyal masukannya.

& Dalam rentang tersebut, sinyalkeluarannya masih !bertahan"di dekat nilai tertentu(biasanya di sekitar nol) dalamsuatu Gona dead bandkeseluruhan.

%er0atikan&

$aturasi teradi setela0 uung rentang linier, sedangkan dead-bands

biasanya teradi se/elumpangkal rentang linier #ungsi trans#er sensor.


Akurasi


40/70


Akurasi& Akurasi (accuracy), keakuratan, ketepatan

? ukuran seberapa dekat nilai keluaran sensor terhadap nilai sebenarnya (thetrue value).

0 0ilai sebenarnya ? nilai sesungguhnya ? nilai seharusnya ? nilai idealnya.

& +eakuratan sensor (ataupun alat ukur) dinyatakan oleh nilai ketakakuratannya.adi, akurasi di sini berarti ketakakuratan(inaccuracy), yaitu selisi0 maksimumantara nilai keluaran sensor dari nilai masukan idealBsesungguhnya (actualinput).

$elisih ? deviasi ? kesalahan (error).

"erukurilai!yaSesungguhnilaiMutlakKesalahan =

yaSesungguhnilai

MutlakKesalahanRelatifKesalahan =

adi, dalam bentuk persen kesalahan, akurasi dirumuskan sebagai

*%&&yaSesungguhnilai

"erukurilai!yaSesungguhnilaiAkurasi =



41/70


Men'0itun' #esala0an

$ebuah sensor perpindahan (displacement sensor) memilikisensitivitas ideal b ? 3 m/Bmm. Itu berarti, sensor ini idealnyamampu membangkitkan 3 m/ per 3 mm perpindahan. 0amun, dalampraktiknya, sensor tersebut menghasilkan tegangan keluaransebesar, misalnya, y ? 3C,@ m/ untuk perpindahan seauh $ ? 3Cmm.

Dengan mengonversi-balik nilai tegangan keluaran (y) ini menadiperpindahan ($') tanpa kesalahan, yaitu 3Bb ? 3 mmBm/, makadiperoleh perpindahan sebesar $' ? 3C,@ mm. adi, ada selisihsebesar $'-$? C,@ mm lebih besar dari nilai sebenarnyaBaktualnya.+elebihan C,@ mm inilah yang disebut deviasi alias simpangan aliaskesala0an(error) dalam pengukuran tersebut.

leh sebab itu, dalam rentang 3C-mm itu, ketakakuratan ataukesala0an mutlak sensor ini adalah C,@ mm, dan kesala0anrelatifn(aadalah (C,@ mmB3C mm) P 3CC ? @.



42/70


Tin'kat #eakuratan& >ingkat keakuratan (accuracy rating) meliputi e#ek gabungan dari

variasi bagian-per-bagian (part-to-part variations), histeresis, dead

band, kesalahan-kesalahan kalibrasi dan repeatability.

& >ingkat keakuratan dapat direpresentasikan dalam beberapa bentuk

- Nangsung dalam bentuk nilai yang terukur (U).

- Dalam persen lebar-rentang skala penuh (span)

- Dalam bentuk sinyal keluaran.

& onto0&

$ebuah sensor pieGoresisti# mempunyai skala penuh masukan 3CC k*adan keluaran skala penuh 3C V. +etakakuratannya dapat ditentukansebagai WC,@, atau W@CC *a, atau WC,C@ V.

& *ada sensor modern, spesi#ikasi ketakakuratan seringkali digantikanoleh suatu nilai ketakpastian(uncertainty) yang lebih komprehensi#karena ketakpastian terdiri dari seluruh e#ek distorsiBgangguan, baikyang sistematik maupun yang aak, dan tidak terbatas padaketakakuratan suatu #ungsi trans#er.



43/70


%resisi

& %resisi (precision)? +emampuan alat ukur untukmemberikan pembaaan yang sama ketika pengukuranbesaran yang sama dilakukan seara berulang padakondisi yang sama.

9!&leh karena sensor merupakan uung tombak alatukur, maka de#inisi di atas uga berlaku untuk sensor.

& *resisi menggambarkan seberapa dekat nilai-nilai hasilpengukuran antara satu dengan yang lain dalam suatupengukuran yang berulang.

& Dengan kata lain, presisi menggambarkan tin'katketelitianalat ukur.


%resisi s Ak rasi


44/70


%resisi vs. AkurasiNilaiyang diperoleh dari suatu

eksperimen dikatakan+,.jika nilai tersebut+

akurat(accurate) dekatdengan nilai sesungguhnya-tetapi ketakpastiannya bisasembarang (bisa besar atau keil).

teliti(precise) memiliki ketakpastian yang kecil-tetapi ini bukan berarti nilai tersebutdekat dengan nilai sesungguhnya.

akuratdan teliti dekatdengan nilai sesungguhnyadansekaligus memiliki ketakpastian

yang kecil.


%resisi vs Akurasi


45/70


%resisi vs. Akurasi



46/70


%resisi vs. Akurasi

Presisi Akurasi

Reproducibility/iuji dengan ara

pengukuran berulang 0resisi yang rendah (poor

precision) berasal dariara1teknik pengukuran yang

kurang baik.

Ketepatan/iuji dengan menggunakan

metode yang berbedaAkurasi yang rendah berasal

dari kesalahan proseduralatau kerusakan alat.



47/70


%resisi + Akurasi& *resisi tidak mempengaruhi akurasi.

& Hasil pengukuran yang presisi belum tentu akurat, dan

sebaliknya.

& Hasil pengukuran yang baik itu adalah akurat dan

sekaligus presisi.

& *rioritas utama yang harus diapai dalam pengukuranadalah menghasilkan suatu pengukuran yang tepat

(akurat), karena ketelitian "precision$ tanpa ketepatan

"accuracy$ 0an(a akan men(esatkan "misleading$.



48/70


onto0

& erikut ini hasil pengukuran titik didih air dengan dua sensor (alatukur) yang berbeda (termokopel dan termometer air-raksa)

Alat ukur A (termokopel) >dair ? (4=,F4 C,CF)o6

Alat ukur (termometer) >dair ? (3CC,= C,=)o6

erdasarkan kedua hasil pengukuran tsb dapat disimpulkan

Alat ukur A le/i0 presisidaripada !karena hasil pengukurandengan alat ukur A memiliki ketakpastian yang lebih kecil (C,CFo6).

Alat ukur ! le/i0 akuratdaripada Akarena nilai rata-rata titikdidih air yang diukur dengan alat ukur (yaitu+ 3CC,=o6) lebihdekatdengan nilai sesungguhnya (3CCo6).



49/70


(epeatability (epeatability = Selisi0 antaradua pembaaan keluaran (outputreadings) dalam suatupengukuran berulang untuk

suatu nilai masukan yang samayang didekati dari ara0 (an'samadan dengan kondisi kerayang serupa.

+epeatability biasanyadinyatakan dalam $.

S(arat &

3. *roses pengukurannya

sama

=. *engamatnya sama

7. Instrumen (alat ukurnya)sama, dan digunakan pada

kondisi yang serupa.

F. Nokasi pengukurannya sama

@. *engulangan pengukuran

dilakukan dalam selan'

waktu (an' sin'kat.Jo0n . We/ster& easurement, /nstrumentation, and

Sensors, X 3444 by 6J6 *ress NN6.



50/70


Hysteresis

Hysteresis = Selisi0 antaradua pembaaan keluaran(output readings) dalamsuatu pengukuran berulang

untuk suatu nilai masukanyang sama yang didekati dariara0 (an' /erlawanan.

%ysteresis biasanyadinyatakan dalam $.

%en(e/a/n(a&

+eterlambatan aksielemen pengindera (+asuspada sensor mekanik).

+eterlambatan penaaranmomen-momen magnetdalam dalam meresponmedan magnetik eksternal(+asus pada sensormagnetik).

8opel, 9.,34;4, Sensors A Comprehensive Survey, /ol. 3.



51/70


)esolusi

& *ada beberapa sensor (misal sensorpotensiometrik dan detektor in#ramerah tetap),ketika masukannya berubah kontinu, sinyalkeluarannya ternyata tak-kontinu (tidak mulus

sempurna), meskipun di ba'ah kondisi tanpa-noise. $inyal keluaran ini berubah dalam bentukenang-enang keil (small steps).

& )esolusi ? +enaikan terkeil (the smallestincrement) pada masukan yang menghasilkankenaikan yang dapat terdeteksi pada keluaransensor.



52/70


ara Men(atakan )esolusi& 2ntuk detektor tetap(the occupancy detector), resolusi dapat

dinyatakan sebagai perpindahan minimum obyek dengan arak yangsama sebesar =C m pada arak @ m.E

& 2ntuk sensor sudut potensiometrik, resolusi dapat dinyatakansebagai sudut minimum sebesar C,@o.E

& >erkadang, resolusi uga dinyatakan sebagai persen skala penu0"FS$alias rentan'masukan. 6ontoh untuk sensor sudut (theangular sensor) yang memiliki skala penuh =


53/70


#arakteristik Dinamik& +etika stimulus masukan berubah-ubah terhadap 'aktu, respon sensor

umumnya tidak mampu mengikuti perubahan-perubahan itu dengansempurna.

& *enyebabnya sensor dan penggandengnya (its coupling) dengansumber stimulus tidak selalu dapat merespon dengan seketika(instantly).

& +arakteristik sensor (an' /er'antun' waktudisebut karakteristikdinamik(dynamic characteristic).

& ika suatu sensor tidak dapat merespon seketika, maka nilai stimulusyang ditunukkan (yang keluar dari sensor itu) boleh adi sedikitberbeda dengan nilai stimulus yang sesungguhnya. Dikatakan bah'a

sensor itu merespon dengan suatu kesala0an dinamik(dynamicerror).

& Apabila sebuah sensor merupakan bagian dari suatu system kontolyang uga memiliki karakteristik dinamik sendiri, maka kombinasi keduakarakteristik dinamik itu dapat menyebabkan osilasi.



54/70


Menentukan #arakteristik Dinamik

& +arakteristik dinamik ditentukan dengan ara menganalisis sensorterhadap bentuk-bentuk gelombang masukanyang /eru/a0ter0adap waktu impulse, step, ramp, sinusoidal, )hite noise%.

& 2ntuk menganalisis karakteristik dinamik sensor digunakan model-model dinamik(dynamic models).



55/70


Model Dinamik

& Jespon dinamik sensor biasanya dianggap linier. leh sebab itu,respon dinamik ini dapat dimodelkan oleh persamaan diferensiallinier berkoe#isien konstan

& Dalam praktiknya, model-model ini terbatasi untuk orde-ordepertama, kedua, dan ketiga. Model-model berorde lebih tinggisangat arang diterapkan.

& Model-model dinamik ini biasanya dianalisis dengan transformasi2aplace, yang mengonversi persamaan diferensialtersebutmenadi pern(ataan polinomial(a polynomial expression).



56/70


Transformasi 2aplace

se/a'ai

%erluasan Trans. Fourier

& Analisis Fourierterbatas hanya untuk sinyal-sinyal sinusoidal.

& Analisis 2aplaceuga dapat digunakan untuk menganalisis

perilaku eksponensial.

tjettx == sin)(

tjt etetx )(sin)( + ==



57/70


Transformasi 2aplace"re)ie&$

&>rans#ormasi Naplae suatu sinyal yang berubah terhadap 'aktu,y(t), ditunukkan oleh

NRy(t)S ? (s)

& /ariabel smerupakan suatu bilangan kompleks s? L

- #omponen realmende#inisikan perilaku eksponensial yang real

- #omponen imainermende#inisikan #rekuensi perilaku yang

bergetar (oscillatory behavior).

& Hubungan dasarnya

&Hubungan

penting lainnya


Transformasi 2aplace "re)ie&$


58/70


Transformasi 2aplace"re)ie&$

& *enerapan trans#ormasi Naplae ke model sensor menghasilkan

"s$disebut fun'si transfersensor tersebut.

*osisi kutub-kutub #ungsi trans#er 8(s), yaitu nol-nol penyebutnya, padabidang-s menentukan perilaku dinamik sensor tersebut seperti

- komponen-komponen osilasi (oscillating components)

- *eluruhan eksponensial (exponential decays)

- +etakstabilan (instability)



59/70


2okasi #utu/ dan %erilaku Dinamik


Sensor%sensor #rde%*ol


60/70


Sensor sensor #rde *ol& $inyal masukan dan keluarannya dihubungkan dengan persamaan

& rde-nol merupakan respon yang diharapkan dari sebuah sensor karena

->ak ada tundaan (no delays)- 2and)idthtak-hingga

- $ensor ini hanya mengubah amplitudo sinyal masukannya.

& 6ontoh sensor orde-nol

%otentiometer yang digunakan untuk mengukur perpindahan linier dan

perpindahan putaran (rotary displacement).

0 Model ini tidak ook digunakan untuk perpindahan yang berubah

dengan epat.


Sensor


61/70


Sensor


62/70


p



63/70


onto0 Sensor


64/70


Sensor


65/70


Step (esponse


66/70


)espon


67/70


onto0 Sensor


68/70


Waktu-pemanasan

& Waktu-pemanasan ()arm-up time) ? 'aktu yangdiperlukan seak penerapan daya (atau sinyal eksitasi) kesensor hingga saat sensor itu dapat beroperasi dalamketelitian tertentunya.

& anyak sensor memiliki 'aktu-pemanasan yang singkat,sehingga dapat diabaikan. >etapi, ada beberapa detektor,khususnya yang beroperasi dalam lingkungan yangdikontrol seara termal (seperti termostat, misalnya) bisa

memerlukan 'aktu-pemanasan beberapa detik ataubahkan bermenit-menit sebelum detektor tersebutberoperasi seara penuh dalam batas-batas ketelitianyang ditentukan.


)espon Frekuensi) f k i (f


69/70


p& )espon frekuensi(fre(uency

response)

- Menirikan seberapa epat suatusensor dapat bereaksi terhadapperubahan yang teradi pada stimulusmasukan.

- Dinyatakan dalam HG atau radBseuntuk menirikan penurunan relati#(relative reduction) dalam sinyalkeluaran pada #rekuensi tertentu.

ilangan penurunan (atau disebutuga batas #rekuensi) yang laGimdigunakan adalah Q7 d. ilangan inimenunukkan pada #rekuensi berapa#rekuensi tegangan (atau arus)keluaran turun sebesar kira-kira 7C.

atas respon #rekuensi sering disebutfrekuensi-poton' atas(upper cutofffre(uency), (fu) karena #rekuensi inidianggap sebagai #rekuensi tertinggiyang dapat diproses oleh sensor.

& Jespon #rekuensi berhubunganlangsung dengan respon kecepatan(speed response), yang dide#inisikan

dalam satuan-satuan stimulusmasukan per satuan 'aktu. Jesponmana (#rekuensi ataukah keepatan)yang akan digunakan untuk memilihsensorBdetektor dalam suatu kasus,tergantung pada tipe sensor itu,aplikasinya, dan saranBpre#erensi

peranang.



70/70

9aktu Jespon

& 9aktu respon (response time)? selang 'aktu antaraperubahan pada besaranyang diukur dan 'aktu alatukur membaa nilaikesetimbangan baru.

& Jespon ini seringdide#inisikan dalam istilah'aktu berikut 'aktu mati(dead time), 'aktu naik (rise

time), dan 'aktu menetap(settling time).

$ayer and Mansingh, =CCC, easurement, /nstrumentation and

$ i t # i i !h i d $ i i

1 karakteristiksensor 140124223237 phpapp01

Documents