bab iv perancangan dan implementasi sistem...

BAB IV PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM

18

BAB IV

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM

IV.1 Deskripsi Perangkat

Perangkat yang dirancang dalam tugas akhir ini merupakan sistem instrumentasi

pengukuran yang bertujuan untuk merekam data sinyal dari accelerometer dan sinyal

dari strain gauge pada paku bumi saat dipancang ke dalam tanah.

Gambar IV.1 Akuisisi data sinyal strain gauge dan accelerometer

Strain Gage

Accelerometer

Hammer Impact

Pengolah Sinyal

ADC


19

Secara umum alat terdiri dari sensor, pengolah sinyal, ADC, dan komputer. Alat

penerima stimulus ini adalah sensor accelerometer dan strain gauge. Stimulus

mekanik yang diterima, diubah menjadi sinyal elektronik oleh kedua sensor dan

masuk ke rangkaian-rangkaian pengolah sinyal yang kemudian masuk ke ADC lalu

dihubungkan ke komputer.

IV.2 Diagram Blok Alat

ACCELEROMETER STRAIN GAUGE

BUFFER

JEMBATAN WHEATSTONE

PENGUAT INSTRUMENTASI

ANALOG TO DIGITAL CONVERTER

LABVIEW 8

PENERIMA SINYAL

PENGOLAH SINYAL

PERANGKAT KERAS

PERANGKAT LUNAK

PENGOLAH SINYAL

UNIVERSAL SERIAL BUSUSB

KOMUNIKASI

TRIGGER

Gambar IV.2 Diagram Blok Perangkat


20

Pada gambar IV.2, Bagian penerima sinyal percepatan yaitu accelerometer dipasang

di sisi bagian atas dari paku bumi. Sensor accelerometer berfungsi untuk menangkap

stimulus mekanik berupa getaran akibat pemancangan tiang ke dalam tanah dan

mengubahnya menjadi sinyal elektronik. Selanjutnya sinyal elektronik ini diolah pada

bagian pengolah sinyal. Pengolahan sinyal meliputi penguatan dan penapisan. Sinyal

yang telah diolah melalui perangkat keras diubah ke dalam bentuk digital dengan

ADC dan diteruskan ke komputer melalui kabel USB.

Untuk pengukuran gaya yang bekerja pada paku bumi, bagian penerima sinyal yang

digunakan adalah sensor strain gauge. Sensor ini berfungsi untuk mengukur regangan

dari paku bumi saat dipancang. Penempatan sensor ini sama seperti accelerometer,

yaitu direkatkan di ujung sisi atas paku bumi. Sifat elastis yang dimiliki oleh beton

yang merupakan bahan dari paku bumi ini menyebabkan perubahan resistansi dari

strain gauge setelah mengalami hantaman dari palu pemancang. Dengan

menggunakan rangkaian jembatan Wheatstone akan didapatkan sinyal tegangan hasil

dari perubahan resistansi. Pengolahan sinyal yang dilakukan meliputi penguatan

dengan penguat instrumentasi. pengubahan sinyal dari dari analog ke digital

menggunakan ADC yang sama dengan ADC yang digunakan untuk pengubahan

sinyal analog dari accelerometer. Sinyal digital diteruskaan ke komputer melalui

kabel USB.

Perangkat lunak yang dirancang oleh penulis dalam program LabView 8 dapat

menampilkan sinyal dalam bentuk kurva yang ditampilkan di layar monitor dan

merekamnya untuk disimpan dalam folder penyimpanan untuk dilihat kembali pada

saat akan diolah.


21

IV.3 Fungsi dan Cara Kerja

Fungsi dan cara kerja setiap bagian alat yang terdapat pada gambar 3.1 dijelaskan

lebih rinci sebagai berikut:

Accelerometer

Accelerometer adalah alat ukur inersial yang mengubah gelombang mekanik menjadi

sinyal elektronik. Sinyal yang dihasilkan selaras dengan percepatan getaran yang

menggunakan prinsip piezoelektrik. Alat ukur inersial ini mengukur gerakan yang

relatif terhadap massa yang terdapat dalam accelerometer. Prinsip kerja alat ini

mengikuti hukum ketiga Newton tentang aksi-reaksi: aksi yang diberikan terhadap

suatu benda akan menghasilkan reaksi yang sama dari benda tersebut dengan aksi

yang diberikan terhadapnya.

Rangkaian Penyangga / buffer

Rangkaian buffer berfungsi untuk mengisolasi bagian sensor dan bagian pengukuran

pada ADC. Rangkaian buffer ini juga berfungsi sebagai bandpass filter untuk

menghindari terjadinya aliasing pada proses pembacaan data.

Strain gauge

Strain gauge adalah suatu sensor resistive yang elastis yang mempunyai hambatan

atau resistansi yang merupakan fungsi dari regangan. Suatu perubahan resistansi pada

suatu material akibat dari deformasi secara mekanik disebut efek piezoresistive.

Strain gauge adalah salah satu material yang mengalami efek piezoresistive tersebut.

Jembatan Wheatstone

Untuk mengetahui besar perubahan hambatan dari strain gauge maka diperlukan

suatu rangkaian yang dinamakan rangkaian jembatan Wheatstone. Rangkaian

jembatan Wheatstone ini memiliki empat buah resistor atau hambatan yang besarnya


22

sama. Salah satu resistor adalah sensor strain gauge yang berfungsi menerima

stimulus berupa regangan.

Penguat Instrumentasi

Pada bagian ini terdiri atas rangkaian penguat dengan OpAmp. Sinyal yang diterima

akan diperkuat sesuai dengan perbandingan nilai resistor pada rangkaian.

ADC (Analog to Digital Converter) 14 bit

ADC yang digunakan pada perangkat ini yaitu ADC 14 bit buatan National

Instrument. Masukan sinyal analog dari accelerometer dan strain gauge setelah

melalui pengolahan sinyal diubah ke digital dan masuk melalui USB ke komputer.

Komunikasi USB (Universal Serial Bus)

LabView8

Perangkat lunak memiliki fungsi untuk mengolah kembali sinyal untuk mendapatkan

data yang dibutuhkan. Perangkat lunak juga berfungsi sebagai user interface dalam

menggunakan alat ini. Bahasa pemrograman yang digunakan dalam pengembangan

perangkat lunak ini adalah bahasa pemrograman pada LabView 8.

Monitor dan PC

Keluaran dari perangkat ini berupa kurva plot amplitudo terhadap waktu. Baik itu

stimulus accelerometer ataupun stimulus dari strain gauge. Untuk menampilkan

kurva plot keluaran tersebut digunakan monitor.

Dari penjelasan fungsi tiap bagian sistem tersebut, dapat dideskripsikan cara kerja

alat sebagai berikut:

Stimulus mekanik berupa getaran akibat dari pukulan palu pemancang ke ujung paku

bumi diterima oleh sensor accelerometer yang di pasang di sisi atas paku bumi.

Begitu pula regangan dari paku bumi saat dipancangkan, diterima oleh sensor strain


23

gauge. Stimulus mekanik tersebut diubah menjadi besaran sinyal elektronik yaitu

sinyal tegangan. Sinyal tegangan ini kemudian diperkuat oleh rangkaian penguat

OpAmp. Dari OpAmp dihubungkan ke ADC.. Dari ADC sinyal tersebut diteruskan ke

komputer dan dapat langsung dilihat di layar komputer menggunakan program.

Dengan pengolahan sinyal di LabView 8 sinyal accelerometer di ubah menjadi sinyal

kecepatan untuk sinyal dari accelerometer melalui proses integrasi. Nilai dari

perubahan regangan akibat hantaman palu di ujung tiang dari sensor strain gauge

diubah menjadi besaran sinyal elektronik berupa sinyal tegangan oleh rangkaian

jembatan wheatstone. Sinyal elektronik ini kemudian diperkuat oleh rangkaian

penguat OpAmp. Dari OpAmp dihubungkan ke ADC masuk ke komputer melalui

kabel USB. Sinyal dari strain gauge dikalikan dengan faktor pengali yaitu modulus

elastis dari paku bumi dan luas penampang dari gaya impuls untuk mendapatkan

sinyal gaya. Sinyal ini kemudian ditampilkan secara bersama-sama dengan sinyal

kecepatan dari accelerometer di layar komputer menggunakan perangkat lunak

LabView 8.

IV.4 Spesifikasi Alat

Spesifikasi alat yang dirancang dan direalisasikan ditunjukkan pada tabel 4.1.

Seperti yang telah dijelaskan, sistem ini terdiri dari dua bagian, yaitu perangkat keras

yang menangkap sinyal dan menghubungkan alat ke komputer dan perangkat lunak

aplikasi komputer yang digunakan untuk mengolah sinyal, menghitung, dan

menyimpan sinyal.


24

Tabel IV.1 Spesifikasi Perangkat

Spesifikasi Keterangan

Sinyal Masukan • Stimulus mekanik percepatan dan regangan dari

pemancangan paku bumi

Strain Gauge • Panjang 60 mm

• Resistansi 120 ± 0.3 Ω

• Gauge factor 2,09 ± 1 %

• Tranverse Sensitivity 0,8 %

Accelerometer • Daerah kerja frekuensi masukan ± 1 Hz – 1000 Hz

Komunikasi

perangkat ke

komputer

• Universal Serial Bus (USB)

Peraga • Monitor komputer untuk menampilkan kurva plot sinyal

kecepatan partikel dan gaya terhadap waktu.

Bahasa

pemrograman

• Bahasa pemrograman Virtual instrument LabView 8 untuk

pengembangan aplikasi pengolah sinyal perangkat lunak

Fungsi Bagian

Perangkat Keras

• Menerima stimulus mekanik berupa percepatan dari getaran

dari paku bumi dan mengubah menjadi sinyal elektronik

• Menerima stimulus mekanik berupa regangan dari paku

bumi dan mengubah menjadi sinyal elektronik

• Memperkuat sinyal

• Menghubungkan dengan ADC

Fungsi Bagian • Menghitung kecepatan partikel yang bekerja pada paku


25

Perangkat Lunak bumi dari sinyal accelerometer

• Menghitung gaya yang bekerja pada paku bumi dari sinyal

strain gauge

• Menampilkan kurva sinyal kecepatan terhadap waktu

• Menampilkan kurva sinyal gaya terhadap waktu

• Merekam kurva sinyal kecepatan dan menyimpannya dalam

bentuk *.lvm

• Merekam kurva sinyal gaya dan menyimpannya dalam

bentuk *.lvm

IV.5 Perancangan Perangkat Keras

IV.5.1 Sinyal Strain Gauge

IV.5.1.1 Sensor Strain Gauge

Gambar IV.3 Sensor Strain gauge


26

Sensor ini bekerja apabila diberikan stimulus sehingga terjadi perubahan regangan.

Perubahan regangan ini mengakibatkan terjadinya perubahan resistansi. Sensor yang

digunakan memiliki nilai resistansi sebesar 120 ± 0.3 Ω. Untuk mendeteksi

perubahan resistansi ini digunakan rangkaian jembatan Wheatstone sebagai salah satu

pengolah sinyalnya.

IV.5.1.2 Jembatan Wheatstone

Gambar IV.4 Rangkaian Jembatan Wheatstone

Nilai resistansi dari perangkat yang dirancang untuk R1 dan R2 adalah sebesar 120

Ω. Untuk resistansi R3 sebesar 100 Ω dan Rv adalah resistor variabel antara 0 – 50

Ω. Tegangan input sebesar 5 Volt dan nilai gauge factor( eS ) adalah 2.09.

Jika diumpamakan resistor variabel di set menjadi 20 Ω dan perubahan dari strain

gauge (ΔR) di set dari -1 sampai 1 Ω.

εeref

out SVV

41

=Δ

Maka secara teori, regangan yang terjadi bernilai seperti di dalam tabel.


27

straingauge (Ω) R ΔR

Vref (V)

Vout (mV)

Strain,ε (μm/m)

120 -1 5 -10.4603 -4003.923845 120 -0.9 5 -9.41029 -3602.024338 120 -0.8 5 -8.3612 -3200.460866 120 -0.7 5 -7.313 -2799.23301 120 -0.6 5 -6.26566 -2398.340348 120 -0.5 5 -5.21921 -1997.782461 120 -0.4 5 -4.17362 -1597.55893 120 -0.3 5 -3.12891 -1197.669335 120 -0.2 5 -2.08507 -798.1132603 120 -0.1 5 -1.0421 -398.8902872 120 0 5 0 0 120 0.1 5 1.041233 398.5580171 120 0.2 5 2.081599 796.7841791 120 0.3 5 3.121099 1194.6789 120 0.4 5 4.159734 1592.242594 120 0.5 5 5.197505 1989.475674 120 0.6 5 6.234414 2386.378551 120 0.7 5 7.270461 2782.951638 120 0.8 5 8.305648 3179.195346 120 0.9 5 9.339975 3575.110084 120 1 5 10.37344 3970.696262

Tabel IV.2 Hubungan tegangan masukan referensi, tegangan keluaran jembatan wheatstone, hambatan strain gauge dan regangan

IV.5.1.3 Penguat Instrumentasi

Pada rangkaian penguat, digunakan IC 741 op-amp. Berikut ini adalah gambar

rangkaiannya. Penguat seperti ini biasa disebut sebagai penguat instrumentasi atau

Instrumentation Amplifier.


28

Gambar IV.5 Penguat Instrumen (www.analog.com)

Nilai resistor yang digunakan dalam penguat instrumen ini antara lain:

R5 = R6 = 100 KΩ

R1 = R2 = R3 = R4 = 1 KΩ

RG = 200 Ω dan multiturn 20 KΩ

)12)(521)(12(

RR

RGRVinVinVout +−=

(4.1)

Jika diumpamakan penguat instrumentasi diberi masukan tegangan (Vin2) sebesar 5

mV, Vin1 sebesar 0 V dan nilai hambatan RG yang berbeda-beda dalam rentang 200

– 20 KΩ. Maka sesuai teori, keluaran tegangannya yang terjadi akan menunjukkan

rentang seperti pada tabel dibawah:


29

Vin2(mV) RG (Ω) Vout(mV) Penguatan 5 20000 57.08333 10.9009901 5 17000 63.13953 12.627906985 15000 70.78947 14.157894745 13000 80.75758 16.151515155 11000 94.28571 18.857142865 9000 113.6957 22.739130435 7000 143.8889 28.777777785 5000 197.3077 39.461538465 3000 317.5 63.5 5 1000 838.3333 167.66666675 200 2505 501

Tabel IV.3 Hubungan tegangan masukan, resistor variabel dan tegangan keluaran dari penguat instrumentasi

Seperti yang telah dijelaskan dalam tabel maka area penguatan dari penguat

instrumentasi perangkat ini berkisar antara 11 kali sampai 500 kali penguatan.

Gambar IV.6 Rangkaian Jembatan Wheatstone dan Penguat Instrumentasi


30

IV.5.2 Sinyal Accelerometer

IV.5.2.1 Accelerometer

Sensor yang digunakan dalam pembuatan tugas akhir ini adalah sensor buatan

Wilcoxon

Dimensi

Gambar IV.7 Sensor Accelerometer (www.wilcoxon.com)

Daerah Kerja

Gambar IV.8 Basic frequency response accelerometer (www.wilcoxon.com)


31

Sensitifitas

Sensitifitas dari sensor ini sebesar 10 gV atau setara dengan 1,02

2sm

V

IV.5.2.2 Penyangga

Gambar IV.9 Rangkaian Penyangga

IV.5.3 ADC 14 bit

Pengubah sinyal analog yang digunakan dalam perangkat ini adalah ADC 14 bit.

Metode pengubahan sinyal dari ADC 14 bit ini adalah Successive Approximation

Register (SAR). Memiliki batas maksimum masukan sebesar ±20 Volt. Dari kedua

input tegangan yang masuk ke dalan ADC ini kemudian dicacah kemudian data

cacahan dikirim ke komputer melelui komunikasi USB.


32

Gambar IV.10 Analog to Digital Converter 14 bit (www.ni.com)

Gambar IV.11 Diagram Blok ADC

(www.ni.com)

IV.6 Perancangan Perangkat Lunak

Perangkat lunak dari alat ini dibuat dalam pemrograman LabView 8. Fungsi yang

dikembangkan dalam perangkat lunak adalah:


33

1. Menghitung kecepatan partikel yang bekerja pada paku bumi dari sinyal

accelerometer

2. Menghitung gaya yang bekerja pada paku bumi dari sinyal strain gauge

3. Menampilkan kurva sinyal kecepatan terhadap waktu

4. Menampilkan kurva sinyal gaya terhadap waktu

5. Merekam kurva sinyal kecepatan dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm

6. Merekam kurva sinyal gaya dan menyimpannya dalam bentuk *.lvm

Program LabView 8 yang digunakan untuk mengolah sinyal memiliki fungsi-fungsi

dasar pengolahan sinyal yang terintegrasi didalamnya, sehingga memudahkan dalam

membuat sistem pengukuran untuk menganalisa stimulus mekanik dari pemancangan

paku bumi.

Untuk merancang dan merealisasi perangkat lunak dalam tugas akhir ini dilakukan

dalam beberapa langkah.

1. Perancangan algoritma

2. Realisasi perangkat lunak dengan menggunakan Virtual Instrument.

Berikut ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai langkah-langkah dalam

perancangan dan realisasi perangkat lunak tersebut.

IV.6.1 Perancangan Algoritma Perangkat Lunak Akuisisi Data


34

Start

Monitoring

Tunggu instruksi dari user

Logging

Manipulasi data

Simpan Data

Tampilkan data

Start

Aktifkan DAQ

Aktifkan DAQ

Record data

yes

no

Tampilkan data

no

yesyes

no


35

IV.6.2 Virtual Instrument LABVIEW 8

Pemograman Labview 8 ini berfungsi untuk membaca data keluaran dari ADC, set

frequency sampling, plot data tegangan keluaran ke grafik, proses pemfilteran secara

software yaitu band pass filter, serta proses pemasukan parameter-parameter fisis

seperti modulus elastisitas, jari-jari dari beton paku bumi, dan pengintegralan untuk

data kecepatan.

Dalam program yang dibuat ini terbagi menjadi dua bagian besar yaitu bagian

monitoring yang berfungsi melihat sinyal secara langsung atau real time dan bagian

logging yang berfungsi untuk pengambilan data.

Gambar IV.12 Block Diagram Monitoring


36

Gambar IV.13 Block Diagram Logging

IV.7 Hasil Perancangan dan Realisasi sistem instrumentasi pengukuran


37

Gambar IV.14 Front Panel Monitoring and Logging

bab iv perancangan dan implementasi sistem...

Documents