2. SENSOR UNTUK TRANSDUSERsensor for transducer

• Transduser adalah peralatan elektromekanik yang mengubah perubahan mekanik seperti pergeseran atau gaya kedalam perubahan sinyal elektrik yang dapat dimonitor sebagai sebuah tegangan setelah dikondisikan.

• Sebagian besar sensor berbasis pada tiga fenomena dasar kelistrikan yaitu resistan, induktan dan kapasitan.

Sensor resistiveResistive sensor

• Besarnya resistensi pada sebuah kawat penghantar dapat dinyatakan sebagai:

• Dimana; ρ = resistivity (ohm centimeter)• L = panjang kawat (sentimeter)• A = luas penampang kawat (sentimeter persegi).

A

LR

a. Potensiometer (potentiometer)

• Type potensiometer yang sederhana skematisnya ditunjukkan pada gambar 2, merupakan hambatan luncur.

• Hubungan anatara tegangan output Vo dan posisi x dari wiper dinyatakan:

lv

vxatauv

l

xv

i

oio

• Untuk meningatkan resolosi, potensiometer dibuat dalam bentuk kumparan yang disebut dengan wire-wound coils.

• Bahkan telah dibuat potensiometer yang terbuat dari film tipis yang hambatannya dapat diatur.

b. Strain gauge

• Strain gauge merupakan kawat metal, foil strip atau strip materianl semi konduktor seperti lembaran tipis dan dapat ditempelkan pada permukaan obyek.

• Jika obyek tersebut diregangkan maka tahanan dari strain gauge tersebut berubah, pebandingan perubahan tahanan ΔR/R adalah proporsional terhadap regangan.

• Dimana Sg adalah konstanta proporsional.

• Output strain gauge ΔR/R biasanya dikonversi menjadi sinyal tegangan dengan jembatan wheatstone.

gSR

R

Strain gauge

c. Resistance temperature detector

Perubahan tahanan dari logam terhadap perubahan temperatur memberikan dasar bagi sensor temperatur yang disebut resistance temperature detector (RTD).Sensor tersebut hanya sederhana, berupa sebuah konduktor yang dibuat dalam bentuk wire-wound coil atau sebuah film atau foil grid.Hambatan dari hampir semua logam naik secara linear terhadap kenaikan temperatur. Hubungan kelinearannya adalah sebagai berikut:

Dimana Rt adalah hambatan pada temperatur t0C, R0 hambatan pada 00C dan α konstanta koeffisien hambatan dari logam.Platina secara luas dipakai sebagai bahan untuk membuat RTD karena platina merupakan logam yang stabil dan dapat dioperasikan pada ring temperatur yang luas.

)1(0 tRRt

d. Thermistor

Tipe kedua dari sensor temperatur yang berbasis pada perubahan tahanan pada elemen sensor terhadap perubahan temperatr adalah thermistor.Perbedannya dengan RTD adalah elemen sensor dari thermistor dibuat dari material semi konduktor. Material semi konduktor menghasilkan perubahan tahanan yang sangat besar terhadap perubahan temperatur.Sehingga thermistor dapat dibuat dalam bentuk butiran yang sangat kecil.Tahanan dari thermistor turun dengan dengan bentuk tidak linear terhadap kenaikan temperatur. Perubahan tahanan per derajat perubahan temperatur sangat besar daripada yang terjadi pada metal. Hubungan tahanan-termperatur pada thermistor adalah:

Dimana Rt adalah hambatan pada temperatut t, K dan β adalah konstanta.

tt KeR /

Macam-macam thermistor

Capacitive

• Capacitance C dari kapasitor plat paralel dinyatakan sebagai:

• dimana εr adalah permitivity relatif dari dielektrik antar plat, ε0 adalah konstanta yang disebut permitivity hampa, A adalah luas permukaan yang overlap diantara plat dan d adalah jarak pisah plat.

• Sensor capacitive digunakan untuk mengukur pergeseran linier seperti pada gambar dibah. Jika dua kapasitor dihubungkan dengan a.c. brige, output tegangan bridge adalah sebanding dengan pergeseran.

d

AC r 0

Bentuk elemen sensor capacitive

Inductive

• Sebuah induktor menyimpan energi dalam bentuk medan magnet yang dihasilkan ketika arus mengalir didalam konduktor.

• Indutance dapat dianalogikan sebagai inersia dalam konsep mekanik.

• Satuan inductance adalah henry (H), yang didefinisikan sebagai inductance yang menghasilkan EMF 1V ketika arus dalam konduktor berubah dengan laju 1 ampere per detik. Secara matematis dinyatakan:

• Dimana V adalah EMF yang diinduksikan, L adalah induktansi, I adalah arus dan t adalah waktu dalam detik.

t

iLV

• Besarnya induktansi dapat dinaikkan dengan membentuk konduktor dalam bentuk koil.

• Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya induktansi adalah panjang, diameter dan jumlah lilitan.

• Juga yang mempengaruhi induktansi adalah inti dari induktor.• Untuk solenoid dengan inti udara, induktansinya dapat dinyatakan

sebagai:

ld

NdL

4018

22

solenoid dengan inti udara

a. Differential transformer

• Differential transformer berbasis pada prinsip variable-inductance.• Sensor variable-inductance yang paling populer untuk mengukur

pergeseran linear adalah linear variable differential transformer (LVDT).

• LVDT terdiri dari tiga koil simetris yang berada pada silinder yang diisolasi. Koil ditengah adalah koil primer dan dua lainnya adalah koil sekunder yang mana dihubungkan secara seri dengan cara outputnya saling berlawanan. Inti magnetik dapat bergerak pada sepanjang pusat silinder sehingga pergeseran dapat dimonitor.

• Ketika ada tegangan bolak-baolik masuk pada koil input, maka EMF bolak-balik akan menginduksi ke kumparan sekunder. Jika inti magnetik berada ditengah maka luas material magnetik pada masing-masing kumparan sekunder sama sehingga EMF induksi pada masing-masing kumparan sekunder sama.

• Karena outputnya dihubungkan secara belawanan maka output totalnya adalah nol. Jika inti magnetik digeser dari posisi sentral maka ada jumlah inti magnetik yang lebih besar dari yang lain. Hasilnya EMF yang lebih besar menginduksi ke koil yang satu dari pada yang lain, sehingga ada output dari dua koil tersebut. Semakin besar pergeseran inti magnetik maka perbedaan output EMF dua kumparan akan naik, sehingga pergeseran inti dapat diukur.

Prinsip LVDT

b. Eddy current sensor

• Sensor eddy-current dignakan untuk mengukur jarak antara kepala sensor dengan permukaan benda konduktor.

• Jika koil pada sensor dihubungkan dengan arus AC maka akan dihasilkan medan magnet bolak-balik. Jika ada obyek metal yang masuk kedalam medan magnet bolak-balik, maka obyek tadi akan terinduksi sehingga mengalir arus eddy.

• Adanya arus eddy ini akan mengubah medan magnet yang dihasilkan sensor. Sebagai hasilnya impedansi dari koil berubah dan amplitudo arus bolak-balik juga berubah.

• Adnya perubahan amplitudo ini dapat digunakan sebagai indikasi adanya obyek metal yang datang.

Sensor eddy current

Othersa. piezoelectric sensor

• Material piezoelectric menghasilkan muatan listrik ketika material ini dikenai gaya atau tekanan.

• Material piezoelectric seperti quartz kristal tunggal atau polycrystalline barium titanate mengandung molekul dengan distribusi muatan taksimetris.

• Ketika tekanan diberikan, kristal terdeformasi dan ada pergeseran relatif dari muatan positif dan negatif didalam kristal. Pergeseran muatan internal ini menghasilkan muatan ekternal yang berlawanan tanda pada permukaan ekternal pada kristal tersebut.

• Jika permukaan ini dilapisi dengan elektroda metal, muatan q yang dihasilkan dapat ditentukan dari tegangan output vo sebagai:

• q=vo C

• Dimana C adalah capacitance dari kristal piezoelectric.

• Muatan q dihubungkan terhadap tekanan yang diberikan p sebagai:

• q = Sq A p

• Dimana Sq adalah charge sensitivity dari kristal piezoelectric, A adalah luas elektroda.

• Tegangan output yang dihasilkan sensor piezoelectric adalah:

• Dimana K adalah konstanta dielektrik dan k adalah konstanta proporsional.

phkK

sv qo

b. Thermocouple

• Thermocouple adalah sensor temperatur terdiri dari dua material yang berbeda yang disambungkan.

• Beda potensial akan terjadi pada sambungan dua material tadi apabila ada perubahan temperatur.

• Fenomena thermoelectric ini diketahui sebagai seebeck effect.• Beda potensial yang dihasilkan tergantung dari material yang

digunakan dan temperatur sambungan.

c. Photoelectric (optic) sensor

• Photoelectric sensor pada umumnya terbuat dari material semikonduktor.

• Ketika P/N junction terkena cahaya dan kedua ujung dari P/N junction dihubungkan maka arus akan mengalir. Besarnya arus sebanding dengan besarnya intensitas cahaya.

• Photo sensor yang dibuat dapat berupa photo dioda atau photo transistor.

phototransistor