SENSOR

A. Tranduser

Tranduser : piranti (device) yang mengkonversi energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya

Contoh :

- Termometer air raksa : mengkonversi energi termal/panas yang diterimanya menjadi

perubahan ketinggian kolom air raksa yang terdapat di dalam tabung kaca termometer

tersebut.

Berdasarkan fungsinya dalam suatu sistem elektronik, transduser dapat dibedakan menjadi

dua macam, yaitu: sensor dan aktuator.

B. Sensor

Sensor (kadang disebut juga detektor) : transduser masukan yang berfungsi menerima

suatu bentuk energi (biasanya berupa besaran fisis) dan mengonversinya menjadi sinyal

elektris.

Disebut sensor karena piranti ini berfungsi mengindera (sense) atau mendeteksi (detect)

suatu bentuk energi atau fenomena/besaran fisis.

Contoh : Mikrofon : mengkonversi gelombang bunyi menjadi sinyal elektris

Karakteristik dasar sensor merupakan karakteristik yang digunakan untuk mengetahui

performansi suatu sensor jika digunakan untuk pengukuran. Performansi suatu sensor

dinyatakan dengan :

Spesifikasi statis : menyatakan seberapa baik korelasi antara input fisik dan output

listrik. Spesifikasi statis sensor meliputi sensitifitas, akurasi , linearitas, hysterisis,

repeability (presisi).

- Sensitivitas : perubahan pada output instrumen untuk setiap perubahan input

terkecil.

Sensitivitas yang tinggi sangat diinginkan karena jika perubahan output yang besar

terjadi saat dikenai input yang kecil, maka pengukuran akan semakin mudah

dilakukan. Sensitivitas juga dapat dinyatakan sebagai kemiringan grafik masukan-

keluaran.

Contoh :

1) Jika sensitivitas sensor temperatur sebesar 5mV/oC berarti setiap perubahan

input 1oC akan muncul output sebesar 5 mV.

2) Sebuah pegas mempunyai defleksi atau penyimpangan yang diukur pada

sejumlah pembebanan dan memberikan hasil sebagai

berikut :

Beban (kg) 0 1 2 3 4

Defleksi (mm) 0 10 20 30 40

Grafik di samping memperlihatkan pemetaan keluaran

terhadap masukan. Grafik ini memiliki kemiringan

sebesar 10 mm/Kg yang berarti inilah nilai sensitivitasnya.

- Akurasi

Digunakan untuk menentukan error keseluruhan maksimum yang diharapkan dari

suatu alat dalam pengukuran. Biasanya diekspresikan dalam inaccuracy. Beberapa

jenis accuracy terhadap :

o Variabel yang diukur

Misal : akurasi dalam pengukuran suhu ialah 2oC, berarti ketidak akuratan

(uncertainty) sebesar 2oC pada setiap nilai suhu yang diukur.

o Presentase dari pembacaan Full Scale instrumen.

Misal : akurasi sebesar 0.5% FS pada meter dengan 5 V Full Scale, berarti

ketidakakuratan pada sebesar 0.025 volt.

o Presentase span (range kemampuan pengukuran instrumen).

Misal : jika sebuah alat mengukur 3% dari span untuk pengukuran tekanan

dengan range 20-50 psi, maka akurasinya menjadi sebesar (0.03) (50 – 20) =

0.9 psi.

- Linearitas : hubungan antara output dan input dapat diwujudkan dalam persamaan

garis lurus.

Linearitas sangat diinginkan karena segala perhitungan dapat dilakukan dengan

mudah jika sensor dapat diwujudkan dalam persamaan garis lurus.

- Hysteresis : perbedaan output yang terjadi antara pemberian input menaik dan

pemberian input menurun dengan besar nilai input sama.

Hysteresis merupakan salah satu indikator repeatability.

- Repeability (presisi) : pengukuran terhadap seberapa baik output yang dihasilkan

ketika diberikan input yang sama beberapa kali.

Persamaan : repeatibility = max − 𝑚𝑖𝑛

𝑓𝑢𝑙𝑙 𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 𝑥 100%

Spesifikasi dinamis : menyatakan seberapa cepat perubahan output (respon) yang

terjadi terhadap perubahan input.

Berikut beberapa istilah yang biasa digunakan untuk menggambarkan karakteristik

dinamik suatu sistem :

- Rise Time : waktu yang diperlukan agar output mencapai 10 – 90% dari respon

penuh saat diberikan input step.

- Time Constant : waktu yang diperlukan output untuk mencapai 63.2% dari nilai

maksimal yang mungkin.

- Dead time : waktu yang diperlukan output untuk mulai berubah.

Klasifikasi sensor :

a. Berdasarkan fenomena alam atau besaran fisis yang diinderanya, sensor dibedakan

menjadi :

Sensor cahaya (optik)

Jenis sensor cahaya adalah :

- Fotovoltaic (sel solar), merupakan sensor sinar yang mengubah intensitas cahaya

yang diterima secara langsung menjadi tegangan.

Sel solar silikon yang modern pada dasarnya adalah sambungan PN dengan

lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan

menyebabkan gerakan elektron antara bagian P dan N, jadi menghasilkan

tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel pada sinar matahari penuh.

- Fotokonduktif

Energi yang jatuh pada sel fotokonduktif akan menyebabkan perubahan tahanan

sel. Apabila permukaan alat ini gelap maka tahanan alat menjadi tinggi. Ketika

menyala dengan terang tahanan turun pada tingkat harga yang rendah.

Sensor temperatur (suhu)

Jenis sensor temperatur adalah :

- Termokopel

Sensor ini terdiri dari dua jenis logam yang salah satu ujungnya saling terhubung

satu sama lain. Perubahan temperatur pada bagian ujung yang terhubung akan

menimbulkan tegangan (beda potensial) pada kedua ujung yang terbuka (tak

terhubung).

- Detektor suhu tahanan / RTD (Resistant Temperature Detector)

Konsep utama yang mendasari pengukuran suhu dengan detektor suhu tahanan

(resistant temperature detector) adalah tahanan listrik dari logam yang

bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dan

dapat diulang lagi sehingga memungkinkan pengukuran suhu yang konsisten

melalui pendeteksian tahanan. Bahan yang sering digunakan RTD adalah

platina karena kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas.

- Termistor

Merupakan resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai

koefisien suhu negatif. Karena suhu meningkat, tahanan menurun dan

sebaliknya. Thermistor sangat peka (perubahan tahanan sebesar 5% per ºC) oleh

karena itu mampu mendeteksi perubahan kecil di dalam suhu.

- Sensor suhu rangkaian terpadu (IC)

Sensor suhu dengan IC ini menggunakan chip silikon sebagai elemen sensor.

Memiliki konfigurasi output tegangan dan arus. Meskipun terbatas dalam

rentang suhu (di bawah 200 ºC), tetapi menghasilkan output yang sangat linear

di atas rentang kerja.

Sensor bunyi

Sensor magnetik

Sensor gerakan (posisi dan kecepatan)

Sensor posisi digunakan unutk mengentahui kondisi nyata dari posisi suatu objek.

Jenis sensor posisi antara lain :

- Potensiometer

Potensiometer terdiri atas elemen resistansi dengan sebuah kontak geser (slider)

yang dapat digerakkan sepanjang elemen. Dapat digunakan untuk gerakan linier

atau gerakan rotary. Keluaran dari potensiometer berupa perubahan tahanan

yang sebanding dengan perubahan posisi gerakan slider.

- Encoder

Encoder adalah alat yang dapat menghasilkan keluaran digital sebagai akibat

dari pergeseran sudut atau linier.

Encoder posisi dikelompokkan menjadi :

1. Encoder incremental : mendeteksi perubahan pergeseran dari beberapa

posisi data.

Encoder incremental untuk pengukuran pergeseran sudut batang :

Terdiri atas sebuah piringan yang berputar bersama batang, piringan

tetap, sumber cahaya dan detektor cahaya.

Piringan putar memiliki sejumlah jendela dimana berkas cahaya dapat

lewat dan dideteksi oleh sensor cahaya.

Ketika batang berputar bersama piringannya, sensor akan

menghasilkan keluaran berupa pulsa yang sebanding dengan sudut

yang dilewati putaran piringan. Pergeseran sudut batang ditentukan

berdasarkan banyaknya pulsa yang dihasilkan.

2. Encoder absolut : memberikan posisi aktual.

Menghasilkan keluaran dalam bentuk biner yang terdiri atas beberapa

digit, dimana tiap bilangan merepresentasikan posisi sudut tertentu.

Pada gambar, piringan putar memiliki 4 lingkaran slot konsentris dan

4 sensor untuk mendeteksi pulsa-pulsa cahaya. Keluaran sekuensial

sensor merupakan sebuah bilangan kode biner yang bersesuaian

dengan posisi sudut tertentu.

Encoder incremental dan encoder absolut juga dapat mendeteksi pergeseran

linier apabila pergeseran liniernya dikonversi terlebih dahulu menjadi

pergerakan rotasi dengan menggunakan roda lintasan (tracking wheel).

- Sonar

Sensor sonar bekerja berdasarkan prinsip pemantulan gelombang ultrasonic.

Prinsip kerjanya sebagai berikut :

Sensor memancarkan sinyal ultrasound dengan frekuensi sekitar 50 KHz.

Kecepatan sinyal suara V = 344 m/s.

Sensor mendeteksi waktu pantulan lewat receiver sejak sinyal tersebut

dipancarkan (Δt).

Sensor menghitung jarak objek yang terdeteksi : 𝑆 = 𝑉 × ∆𝑡

2

- LVDT

Prinsip kerja :

LVDT terdiri atas 1 kumparan primer (terletak di tengah) dan 2 kumparan

sekunder yang identik dan dihubungkan secara seri sehingga menghasilkan

keluaran yang saling berlawanan. Ketiga kumparan diletakkan pada tabung

isolasi. Sebuah inti magnetik akan bergerak pada bagian tengah tabung .

Apabila tegangan AC diberikan pada kumparan primer maka akan

menginduksi kedua kumparan sekunder dan menghasilkan ggl induksi yang

sama. Karena keluarannya saling berlawanan, maka resultan tegangan

keluaran adalah nol.

Jika inti magnetik digeser, maka ggl induksi pada salah satu kumparan

sekunder akan lebih besar. Semakin besar pergeseran, maka selisih ggl

induksi kedua kumparan sekunder pun semakin besar.

- Sensor proximity

Sensor proximity mendeteksi keberadaan suatu objek ketika objek tersebut

berada dalam jarak tertentu dari sensor tanpa bersentuhan.

Jenis sensor proximity :

Sensor proximity optik

Sensor induktif

Sensor kapasitif

Sensor proximity optik :

Tipe sensor proximity optik :

a) Tipe transmisif : objek yang dideteksi akan memotong cahaya (umumnya

berupa cahaya infrared) dan mencegahnya mencapai detektor.

b) Tipe reflektif :

Objek yang dideteksi akan memantulkan seberkas cahaya ke detektor.

Emiter umumnya berupa LED. Detektor radiasinya dapat berupa

fototransistor, seringkali merupakan pasangan yang dikenal sebagai

pasangan Darlington. Penggunaan pasangan meningkatkan sensitivitas

deteksi. Alternatif lain adalah fotodioda. Keluaran dapat diubah ke nilai

tinggi atau rendah bila suatu berkas cahaya menumbuk dioda.

Selain itu dapat digunakan sel fotokonduktif (biasanya kadmium sulfida).

Resistansinya bergantung pada intensitas cahaya yang menumbuknya.

Sensor proximity induktif :

Sensor induktif menggunakan induksi elektromagnatik untuk mendeteksi benda

logam, khususnya besi dan baja, dengan menginduksi sebuah arus di dalam

benda tersebut.

Sensor proximity kapasitif :

Sensor kapasitif mendeteksi benda bukan logam, cairan, pupur, material granula,

dan material melalui dinding kaca atau plastik.

Kekurangan sensor kapasitif :

Jarak yang pendek, karena pengaruh dielektris dari benda akan hilang

pada jarak yang jauh.

Dapat gagal jika terlalu kotor karena kotoran dapat terdeteksi.

Dapat menimbulkan persoalan bagi material yang memiliki konstanta

dialektrik yang sama dengan udara.

Sangat sensitif, terkadang dapat tertriger oleh kondisi kelembaban yang

tinggi.

Sensor gaya/tekanan

Jenis sensor tekanan adalah :

- Bourdon tubes

Prinsip kerja :

Bourdon tubes merupakan sejenis pipa pendek lengkung dimana salah satu

ujungnya tertutup. Jika bourdon tubes diberikan tekanan maka ia akan

cenderung untuk “menegang”. Perubahan yang dihasilkan sebanding dengan

besarnya tekanan yang diberikan.

- Sensor diafragma

Prinsip kerja : diafragma akan terdefleksi karena terdapat tekanan yang lebih

besar pada satu sisi dibandingkan dengan sisi lainnya.

- Semiconductor Pressure Sensors

Sensor aliran

Sensor kimia

b. Berdasarkan kebutuhan energi untuk membangkitkan sinyal elektris pada keluarannya,

sensor dibedakan menjadi sensor aktif dan sensor pasif

Sensor aktif : sensor yang membutuhkan sumber listrik (ac atau dc) untuk

mengoperasikannya.

Contoh :

- Strain gauge

Sensor regangan yang bersifat resistif : perubahan regangan pada elemen sensor

akan menyebabkan perubahan resistansi elemen sensor tersebut. Perubahan

resistansi ini dimanfaatkan untuk menghasilkan perubahan tegangan dengan cara

menempatkan sensor tersebut pada rangkaian jembatan Wheatstone yang kedua

ujungnya diberi catu daya (sumber tegangan eksternal), yaitu tegangan dc +7,5

V.

- LDR (Light Dependent Resistor)

Sensor peka cahaya ini bersifat resistif : perubahan intensitas cahaya

menyebabkan perubahan resistansi sensor. Perubahan resistansi ini dimanfaatkan

untuk menghasilkan perubahan tegangan dengan cara menempatkan sensor

tersebut pada rangkaian pembagi tegangan (voltage divider) yang kedua

ujungnya diberi catu daya (sumber tegangan eksternal), yaitu tegangan dc +5 V.

- Termistor : Merupakan sensor temperatur yang juga bersifat resistif dan

biasanya ditempatkan dalam rangkaian pembagi tegangan dengan catu daya

+5V.

- Piezoresistif : Tekanan yang diterima sensor ini diubah menjadi perubahan

resistansi.

Sensor pasif : sensor yang membutuhkan sumber listrik (ac atau dc) untuk

mengoperasikannya.

Sensor ini langsung menghasilkan tegangan pada keluarannya tanpa harus diberi

catu daya sama sekali.

Contoh :

- Termokopel

- Piezoelektrik : tekanan yang diterima sensor ini diubah langsung menjadi

tegangan.

- Fotovoltaik

c. Berdasarkan tipe energi yang dideteksinya, sensor dapat dibedakan atas 6 jenis seperti

ditunjukkan pada table di bawah.

Jenis sensor Contoh sensor Keterangan

Mekanik Strain gauge Regangan sebanding dengan perubahan resistansi

Magnetik Sensor efek

Hall

Arus yang mengalir di dalam konduktor piranti

Efek Hall menghasilkan tegangan

Radiasi

elektromagnetik

Antena

penerima

Mengubah energi elektromagnetik gelombang radio

menjadi energi listrik

Radiasi nuklir Kamar

ionisasi

Arus listrik di antara elektroda-elektrodanya

sebanding dengan radiasi pengionan (ionizing

radiation)

Panas Termokopel Tegangan keluarannya sebanding dengan selisih

temperatur kedua kawat logam yang digabungkan

pada salah satu ujungnya

Kimia Sensor pH Ukuran konsentrasi ion hidrogen di dalam suatu

larutan

d. Berdasarkan efek kelistrikan pada elemen sensornya, sensor dapat dibedakan menjadi

sensor resistif, sensor induktif dan sensor kapasitif.

Sensor resistif : sensor yang resistansinya berubah ketika menerima

pengaruh/perubahan kondisi eksternal tertentu.

Contoh :

- Termistor : resistansinya berubah dengan berubahnya temperatur.

- Piezoresistif : resistansinya berubah dengan berubahnya tekanan.

- GMR (Giant Magneto Resistif) : resistansinya berubah denganberubahnya

medan magnetik eksternal.

Sensor induktif : sensor yang induktansinya berubah ketika menerima

pengaruh/perubahan kondisi eksternal tertentu.

Contoh :

- LVDT ( Linear Variable Differential Transformer) : induktansinya berubah

dengan berubahnya posisi inti besi di dalam transformator/trafo.

Sensor kapasitif : sensor yang kapasitansinya berubah ketika menerima

pengaruh/perubahan kondisi eksternal tertentu.

Contoh :

- Mikrofon kapasitor (condenser microphone) : kapasitansinya berubah dengan

berubahnya jarak antara kedua plat kapasitor didalam mikrofon akibat

tekanan gelombang akustik/bunyi yangditerimanya.

- Sensor kelembaban udara : kapasitansinya berubah dengan berubahnya

konstanta dielektrik kapasitor akibat perubahan jumlah material (uap air)

yang mengisi celah antara kedua plat kapasitor itu.

e. Berdasarkan bentuk sinyal keluarannya, sensor dibagi menjadi sensor analog dan

sensor digital.

Sensor analog : menghasilkan sinyal/tegangan keluaran kontinyu dan umumnya

sebanding dengan besaran yang sedang diukur.

Contoh : termokopel

Sensor digital : menghasilkan sinyal/tegangan keluaran diskrit (tidak kontinyu,

melainkan dalam bentuk biner).

Contoh : sistem sensor kecepatan putaran (terdiri atas LED sebagai pemancar dan

fototransistor sebagai penerima).