Slide 1

SENSOR DAN TRANSDUSERKendali berbasis pada informasi. Sistem otomatisasi harus mampu mendapatkan informasi dari proses fisik yang dikendalikan;Transduser masukan mengubah parameter2 fisik menjadi sinyal2 listrik yang berhubungan dengan apa yang sedang terjadi;Transduser adalah (secara luas) suatu piranti yang menerima energi dari suatu sistem dan mengirimkannya kembali, biasanya dalam bentuk yang berbeda, ke sistem lainnya;Istilah sensor memiliki pengertian yang lebih sempit suatu bagian dari transduser yang menanggapi kuantitas yang diukur.2PendahuluanSensorA sensor is a device that converts a physical phenomenon into an electrical signal.Strictly speaking, a sensor is a device that receives a signal or stimulus and responds with an electrical signalIn otherword, sensor Convert a Signal or Stimulus (Representing a Physical Property) into an Electrical OutputTransducertransducer is a converter of one type of energy into another.

3IntroduksiMenurut : Dr. Tom Kenny, Department of Mechanical Engineering, Stanford University makalahnya yang berjudul Basic Sensor TechnologyTransducer may be divided into two classes : Input transducer and Output transducerExample: Electric-input transducer convert non-electric energy, such as sound or light, into electric energy. Electric-output transducer work in reverse order. They convert electric energy to form of nonelectric energy.4Introduksi5IlustrasiMicrophoneElectronicAmplifierSpeakerSuara 1ListrikSuara 2

SENSOR

Sensor merupakan unsur dalam sistem mekatronika atau pengukuran yang mendeteksi besarnya parameter fisik dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat diprosesoleh sistemKegunaan: sebagai pengukur posisi, jarak,, ketegangan kekuatan, temperatur, akselerasi getaran

PENGUKURAN POSISI & KECEPATAN

Proximity Sensor and Switch adalah sensor untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu obyek.Kegunaan : untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu garis pembimbing gerak robot atau lebiah dikenal dengan istilah Line Follower Robot atau Line Tracer Robot, untuk mendeteksi penghalang berupa dinding atau penghalang lain pada Robot Avoider

Potensiometer : resistor tiga terminal dengan sambungan geser yang membentuk pembagi tegangan dapat disetel

Kegunaan :untuk mengendalikan peranti elektronik seperti pengendali suara pada penguat.

Linier Variable Differensial Transformer

suatu sensor yang bekerja berdasarkan prinsip trafo diferensial dengan gandengan variabel antara gandengan variable antara kumparan primer dan kumparan sekunder

1. LVDT adalah suatu sensor yang bekerja berdasarkan prinsip trafo diferensial dengan gandengan variabel antara kumparan primer dan kumparan sekunder.2. LVDT dapat digunakan sebagai sensor jarak dan sensor mekanik lainnya.3. Sebelum menggunakan LVDT kita harus mengetahui daerah linier LVDT tersebut pada tegangan eksitasi tertentu dan frekuensi tertentu.4. Perubahan tegangan eksitasi akan menghasilkan tegangan yang berbeda untuk tiap pergeseran jarak, tetapi tegangan eksitasi yang lebih besar akan menghasilkan sensitivitas yang tinggi.5. Perubahan frekuensi akan merubah koefisien dari daerah linieritas sensor, tetapi daerah kerjanya tetap sama.

PENGUKURAN TEMPERATURLiquid-in-Glass Thermometer * alat pengukur suhu nonelectrical * menggunakan air raksa atau alkohol sebagai cairan pengisi karena air raksa memiliki koefisien muai yang konstan. * dapat mengukur suhu hingga 600 F * umumnya bekerja pada C dan F * KALIBRASI : a. Termometer diletakkan di es yang sedang mencair dan tandai poin termometer disaat seluruh es tersebut berwujud cair seluruhnya. Poin ini adalah poin titik beku air. b. Dengan cara yang sama, tandai poin termometer disaat seluruh air tersebut mendidih seluruhnya saat dipanaskan.

2. Bimetallic Strip Menggunakan 2 / lebih logam dengan koefisien thermal yang berbeda (bi=2 , metall =metal) yang dapat berfungsi sbg penunjuk suhu melalui kelengkungannya.

PRINSIP KERJA Bimetallic strip dikontakkan dengan objectyang akan diukur perubahan suhunya. Kemudian bimetallic strip akan melengkung jika terjadi perubahan suhu. Sinyal yang berupa perubahan suhu tersebut akan disampaikan ke pointer melalui wire, sehingga pointer dapat menunjukkan output yang berupa besarnya suhu yang terjadi.

Keuntungannya : Biaya murah Diabaikan pemeliharaannya Operasi stabil dari waktu ke waktu

Contoh Aplikasi di dunia industri :

Digunakan di industri pada proses heating.Bimetaldigabungkandenganrangkaian PLC.Tugas PLC adalahsebagai controller on/off untuk pemanas dalam pengendalian suhu. Jadi, pada saat suhu berada di bawah suhu yang diharapkanmaka sinyal output beralih daritinggimenjadirendah. PLCkemudian dapat diprogram untuk menghasilkan sebuah output jika terjadi masukan rendah, dan output tersebut akan digunakan untuk mengaktifkan pemanas. Sebaliknya, jika masukan tinggi maka output PLC digunakan untuk mematikan pemanas

3. Resistance Temperature Device (RTD)* Digunakan untuk menentukan nilai atau besaran suatu temperatur/suhu dengan menggunakan elemen sensitif dari kawat platina, tembaga, atau nikel murni, yang memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di dalam kisaran suhunya.

Hubungan antara resistansi dan temperatur :

Dimana, :

R = tahanan konduktor pada TCRo = tahanan konduktor pada temperatur awal = koefisien temperatur tahananT-To = selisih antara temperatur kerja dan temperatur awal

Keunggulan sensor RTD dibandingkan dengan thermocouple :Tidak diperlukan suhu referensi Sensitivitasnya cukup tinggi, yaitu dapat dilakukan dengan cara mem-perpanjang kawat yang digunakan dan memperbesar tegangan eksitasi. Tegangan output yang dihasilkan 500 kali lebih besar dari termokopel Dapat digunakan kawat penghantar yang lebih panjang karena noise tidak jadi masalah Tegangan keluaran yang tinggi, maka bagian elektronik pengolah sinyal menjadi sederhana dan murah.

4. Thermocouple * Sensor ini terdiri dari dua kawat dari logam- logam yang berbeda yang kemudian dilas (dikonneksikan) menjadi satu sama lain pada salah satu ujungnya. Prinsip Kerja : Prinsip kerja dari thermocouple menggunakan efek seebeck ( Efek Seebeck adalah konversi energi panas menjadi energi listrik). Arus listrik mengalir pada rangkaian tertutup dari 2 konduktor berbeda, apabila kedua sambungan mengalami beda temperatur. Bila rangkaian dibuka maka akan muncul tegangan Seebeck pada kedua terminal. jadi menurut efek seebeck ketika dua konduktor yang berbeda menerima panas maka akan menimbulkan emf (Electricmotive Force ) yang akan menimbulkan tegangan kecil dengan kisaran range 1 hingga 70 microvolt untuk setiap derajat kenaikan suhu. Dan kemudian akan dikonversikan sesuai dengan reference table yang telah ada (table ini sesuai dengan tipe dari thermocoupe yang dipakai).

PENGUKURAN GETARAN & PERCEPATANPiezoelectric

Konstruksi mereka terdiridari kristal bahan piezoelektrik yangterpasang massa seismik.Ketika kristal ditekankan dalam ketegangan atau kompresi, itumenghasilkan muatan listrik yang sebanding dengan tingkatpercepatan itu. Kelemahan : - mereka tidakdapat digunakan untuk pengukuran yang benar-benar statis.

PENGUKURAN GETARAN & PERCEPATANPiezoelectric

Konstruksi mereka terdiridari kristal bahan piezoelektrik yangterpasang massa seismik.Ketika kristal ditekankan dalam ketegangan atau kompresi, itumenghasilkan muatan listrik yang sebanding dengan tingkatpercepatan itu. Kelemahan : - mereka tidakdapat digunakan untuk pengukuran yang benar-benar statis.

Pengukuran Vibrasi dan AkselerasiAkselerometer : sensor pengukur perubahan kecepatan akibat gerak, getaran, maupun tumbukan. Desain akselerometer didasarkan pada efek inersia yang berhubungan dengan massa terhubung ke objek bergerak melalui pegas, peredam, dan perpindahan sensor.

Pengukuran Vibrasi dan AkselerasiAccelerometers kualitas tertinggi yang dibangun menggunakan kristal piezoelektrik, bahan yang deformasi hasil dalam polarisasi muatan di kristal.Dengan cara timbal balik, penerapan medan listrik dengan bahan piezoelektrik menghasilkan deformasi.Accelerometer piezoelektrik terdiri dari kristal dalam kontak dengan massa, didukung dalam housing oleh pegas.Tujuan untuk pegas pramuat adalah untuk membantu menjaga massa berhubungan dengan kristal dan untuk menjaga kristal dalam kompresi, yang dapat membantu memperpanjang masa pakainya. Selain redaman alami yang melekat dalam kristal, redaman tambahan kadang-kadang dimasukkan (misalnya, dengan mengisi housing dengan minyak).

Pengukuran Tekanan dan AliranTekanan:ManometerVacuum gauge

Pengukuran Tekanan dan AliranAliranTabung pitot: mengukur perbedaan antara tekanan total dan statis dari sebuah fluida bergerak.Venturi dan orifice meter berdasarkan pengukuran tekanan yang didapat Sebuah pitot tabung mengukur perbedaan antara tekanan total dan statis cairan bergerak.Venturi dan orifice meter didasarkan pada pengukuran penurunan tekanan di seluruh obstruksi yang mengalir.Pengukur aliran turbin mendeteksi laju aliran dengan mengukur tingkat rotasi impeller dalam aliran.

Pengukur aliran Coriolis massa mengukur laju alir melalui tabung U dalam getaran rotasi.Kawat panas anemometers merasakan perlawanan perubahan dalam kawat pembawa arus panas.Suhu dan resistensi dari kawat tergantung pada jumlah panas yang ditransfer ke cairan bergerak.Koefisien perpindahan panas merupakan fungsi dari laju aliran.Laser doppler velocimeters (LDVs) merasakan frekuensi pergeseran sinar laser tersebar dari partikel tersuspensi dalam cairan bergerak.

Sensor Semikonduktor dan perangkat mikroelektromekanikalPerangkat mikroelectromechanical (MEM):Sensor MEM pertama dikembangkan menggunakan teknologi sirkuit terpadu untuk memotong silikon dan menghasilkan sebuah perangkat yang menanggapi percepatan. Ini terdiri dari kantilever silikon kecil dengan strain gage semikonduktor terpisahkan. Accelerometer MEM sekarang digunakan dalam mobil untuk mengontrol sistem airbag.

Sensor Semikonduktor dan perangkat mikroelektromekanikalSifat semikonduktor yang merupakan dasar untuk berbagai kelas semi-konduktor MEMSKarakteristik piezoresistif dari silikon terdoping, kopling antara resistensi perubahan dan deformasi, merupakan dasar untuk strain gages semikonduktor dan sensor tekanan.Karakteristik magnetik silikon terdoping, terutama efek Hall, merupakan dasar dari transistor semikonduktor magnetik di mana arus kolektor dapat dipengaruhi oleh medan magnet eksternal.Gelombang elektromagnetik dan radiasi nuklir menyebabkan efek listrik dalam semikonduktor, membentuk dasar sensor warna cahaya dan detektor radiasi lainnya.Sifat termal dari semikonduktor merupakan dasar untuk termistor, sensor konduktivitas termal, sensor kelembaban, dan IC sensor suhu

Sensor Semikonduktor dan perangkat mikroelektromekanikalPermukaan gelombang akustik (Surface Acoustic wave/SAW) perangkat kelas penting dari sensor MEM. Sebuah perangkat SAW terdiri dari substrat piezoelektrik datar dengan pola logam melukiskan pd sepotong logam diendapkan pada permukaan. Pola-pola ini membentuk transduser interdigital (IDTs).Membantu lahirnya MMS (Micromeasurement System)

Akselerometer : sensor pengukur perubahan kecepatan akibat gerak, getaran, maupun tumbukan. Desain akselerometer didasarkan pada efek inersia yang berhubungan dengan massa terhubung ke objek bergerak melalui pegas, peredam, dan perpindahan sensor.

Referensi perpindahan accelerometer dan diagram benda bebas

Pengukuran Vibrasi dan Akselerasi

Sensor InfraMerah (InfraRed) terdiri atas sumber dan penerima (receiver) cahaya infra-merah;Sumber2 cahaya infra-merah:LED inframerah, dan.Laser inframerah.Suatu penerima cahaya infra-merah termasuk:Pencacah foton (suatu sensor yang dapat mendeteksi sekitar 1 foton cahaya);Fotoresistor (CdS: resistansi menurun sejalan dengan meningkatnya kuat cahaya);Fotodioda (dapat menghasilkan arus secara proporsional terhadap cahaya yang diterima (sel matahari atau solar cells));Fototransistor (suatu saklar berbasis cahaya yang diterima, lihat slide berikut !).28Sensor Cahaya (Light Sensor)29Cara kerja Fototransistor:

30Sensor Proksimitas (Proximity): mendeteksi keberadaan obyek reflektif (bisa memantulkan cahaya), tetapi bukan jaraknya;Macam-macamnya (berdasar arah datangnya cahaya):Thru-the-beam : sangat searah dan dapat untuk jarak jauh (< km);Retro-reflective: agak searah juga dapat untuk jarak jauh;Diffuse-reflective:tidak searah (hamburan) cocok untuk jarak-jarak dekat (~ cm).31Sensor2 Cahaya

32Piranti optoelektronik yang lain:Opto-coupler: digunakan untuk mengisolasi sinyal (cahaya) kendali pada suatu piranti menghilangkan efek loncatan tegangan;IR Remote Control: untuk menghindari interferensi dengan sinar-sinar ambien, maka cahaya inframerah yang dikirimkan dimodulasi, kemudian demodulator pada penerima digunakan untuk mendekodekan sinyal tsb.Pyroelectric Detector: merasakan radiasi inframerah pada jangkauan panas misalnya suhu tubuh, dll;IR Imager: sebuah kamera yang mampu melihat panas night vision camera, memeriksa alat, dst.Sensor Ultrasonik33Sensor ultrasonik menggunakan kombinasi mikrofon dan/atau speaker (capacitive transducer) untuk mengirimkan suatu pulsa suara dan mengukur berapa lama pulsa suara yang dikirimkan diterima kembali oleh speaker;34Sensor2 Ultrasonik

35Berdasar gambar pada slide sebelumnya: jarak yang ditempuh adalah 2d:2d = Vs * (t)Vs = 346,867 meter/detik di udaraVs = 1534,382 meter/detik di air lautPiranti elektrostatis untuk jangkauan 20 kHz hingga 50 kHz (frekuensi rendah);Piranti pizoelektrik untuk jangkauan frekuensi minimal 600 kHz (frekuensi rendah);

36Adanya faktor penurunan daya pulsa suara :

Dan juga serapan molekular:

Dengan merupakan koefisien pelemahan yang bergantung pada frekuensi (frekuensi2 tinggi akan beratenuasi secara cepat);R adalah jarak dari sumber suara.

Persamaan keseluruhan :

Adanya koefisien pantulan Kr dan kenyataanya bahwa gelombang harus melakukan perjalanan ulang setelah dipantulkan, sehingga:

37

Kr adalah koefisien pantulan atau perbandingan antara intensitas pantulan terhadap intensitas cahaya datang:

Za : impedansi akustik di udara;Zo : impedansi akustik objek.Antara Za dan Zo semakin sama, pantulan semakin berkurang !38

Isu-isu implementasi:Permukaan miring (pantulan tidak ke arah penerima);Permukaan tidak rata (efek hamburan);Pada sensor Polaroid dibatasi kemiringan s/d 25;39

Sensor Wide-beam (lebar) bisa menampung pantulan lebih lebar, namun kehilangan sifat direksionalitas (posisi kurang akurat);Sensor Narrow-beam (sempit) harus mendekati tegak lurus, namun posisi bisa lebih akurat;40SENSOR SUHU41Bi-Metal Thermostattwo different metals bonded together under heat and pressure to form a single strip of material. By employing the different expansion rates of the two materials, thermal energy can be converted into electro-mechanical motionBulb and capillary thermostatsmake use of the capillary action of expanding or contracting fluid to make or break a set of electrical contacts.The fluid is encapsulated in a reservoir tube that can be located 150mm to 2000mm from the switch. This allows for slightly higher operating temperatures than most electro-mechanical devices.

42JENIS-JENISInfrared (IR) pyrometryAll objects emit infrared energy provided their temperature is above absolute zero (0 Kelvin). There is a direct correlation between the infrared energy an object emits and its temperature.IR sensors measure the infrared energy emitted from an object in the 420 micron wavelength and convert the reading to a voltage. Typical IR technology uses a lens to concentrate radiated energy onto a thermopile. The resulting voltage output is amplified and conditioned to provide a temperature reading.Factors that affect the accuracy of IR sensing are reflectivity (the measure of a materials ability to reflect infrared energy), transmissivity (the measure of a materials ability to transmit or pass infrared energy), and emissivity (the ratio of the energy radiated by an object to the energy radiated by a perfect radiator of the surface being measured).

43Jenis-Jenis Thermocouplesformed when two electrical conductors of dissimilar metals or alloys are joined at one end of a circuit.All thermocouples have what are referred to as a hot (or measurement) junction and a cold (or reference) junction. One end of the conductor (the measurement junction) is exposed to the process temperature, while the other end is maintained at a known reference temperature. The cold junction can be either a reference junction that is maintained at 0C (32F) or at the electronically compensated meter interface.When the ends are subjected to different temperatures, a current will flow in the wires proportional to their temperature difference. Temperature at the measurement junction is determined by knowing the type of thermocouple used, the magnitude of the millivolt potential, and the temperature of the reference junction.

44Jenis-Jenis45Thermocouple

Thermistorsor thermally sensitive resistors are devices that change their electrical resistance in relation to their temperature. They typically consist of a combination of two or three metal oxides that are sintered in a ceramic base material and have lead wires soldered to a semiconductor wafer or chip, which are covered with epoxy or glass.Thermistors are available in two different types: positive temperature coefficient (PTC) and negative temperature coefficient (NTC). PTC devices exhibit a positive change or increase in resistance as temperature rises, while NTC devices exhibit a negative change or decrease in resistance when temperature increases. The change in resistance of NTC devices is typically quite large, providing a high degree of sensitivity.They also have the advantage of being available in extremely small configurations for extremely rapid thermal response.

46Resistive DevicesRTDs (resistive temperature devices),like thermistors, employ a change in electrical resistance to measure or control temperature. RTDs consist of a sensing element, connection wires between the element and measurement instrument, and a support for positioning the element in the process.The metal sensing element is an electrical resistor that changes resistance with temperature. The element usually contains a coil of wire or conductive film with conductors etched or cut into it. It is usually housed in ceramic and sealed with ceramic cement or glass.

4748

49