Upload
karna-imam-aziziir
View
164
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
1
PERKULIAHAN
Sensor SystemJurusan Fisika FMIPA Universitas Riau
1
Lazuardi Umar
Universitas Riau
I. Pendahuluan Teknik-Pengukuran
Sifat dari Hasil Pengukuran:1. Independent dari pengamat hasil tetap sama
Fungsi Pengukuran: „kuantisasi objektif/empiris suatu bilangan terhadap kualitas suatu objek“ (membandingkan suatu bilangan dengan objek ukur)
2
p p g p2. Berdasarkan dari penemuan eksperimental (empiris)
Persyaratan Dasar Pengukuran:• Besaran ukur harus secara kualitativ jelas terdefinisikan dan secara
kuantitatif dapat ditentukan• Standar pengukuran harus ditetapkan melalui Konvensi, contoh
kenyaman, „Intelligenz“ tdk dpt diukur karena tidak secara umum didefinisikan
KEGUNAAN PENGUKURAN
Proses Kontrol
• Pengukuran suhu ambang• Pengukuran vol gas/air• Monitoring klinis
• Mengontrol ketinggian air
Proses Monitoring
3
Panduan Eksperimen
g ggatau suhu di dalam tangki
• Mempelajari distribusi suhu dalam objek bentuk tak beraturan atau
• Menentukan distribusi daya pada mobil uji tabrak
Besaran Fisis Nama SimbolPanjang Meter MMassa Kilogram KgWaktu Detik s
Suhu Termodinamik Kelvin KKuantitas Materi Mol mol
Kuat Cahaya Kandela cd
Gaya Newton NRedaman Neper / BelMuatan Coulomb CT Li t ik V lt V
SATUAN UKUR (SI) & SIMBOL
4
Tegangan Listrik Volt VTahanan Listrik Ohm ΩTahanan Spesifik Ohmmeter ΩmKonduktivitas Listrik Siemens SKemampuan Hantar Listrik Siemens/meter S/mDaya Listrik Watt WKerja Listrik Watt second WsKuat Medan Listrik Volt / meter V/mKapasitas Listrik Farad FKuat Arus Listrik Ampere AKuat Medan Magnetik Ampere / meter A/mRapat Arus Magnetik Tesla TAliran Magnetik Weber WbInduktivitas Henry H
II. Piranti Elektronik dan Sistem Pengukuran
Apa kegunaan Teknik Pengukuran/Instrumentasi saat ini..?
Pekerjaan Teknik Pengukuran (Instrumentasi):Konversi (pengubahan): besaran fisis besaran elektris
Konverter (pengubah) disebut juga: Sensor, transduser, detektor, pendeteksi…
5
BIDANG RISET BIDANG INDUSTRI
Hasil penelitian berdasarkan pengukuran
Pengamatan proses
Teknik pengukuran memberikan/menjelaskan pengetahuan tentang alam
Menyediakan data-data proses untuk pengaturan
Eksperimen teknik pengukuran sebagai batu ujian pengetahuan
Teknik perakitan presisi tinggi
Transducer/sensor: piranti elektronik yang mengambil energi dari objekyang diukur dan memberikan sinyal keluar dalam bentuk sinyal listrik, yangberhubungan dengan kuantitas yang diukur
Aktuator: piranti untuk mengubah (konversi) daya
Physical quantitis Sensor Analog
circuitAnalog digital
converter µP Digital analog converter
Results
Analog
6
Digital
n. electric quantity
electric signal
signal cond.
digital signal
2
7
Besaran fisis:• Mekanis• Termis• Magnetik• Elektris• Optis dan• Sinyal Kimia
KalibrasiTesting, checking dan inspeksiKontrol kualitas pengujian materialPengontrolanOptimalisasiSupervisi, self control early damage supervisionPengenalan pola (pattern recognition) surface, noise, shapeMessage, report, switch off protection system
„Job“teknik pengukuran (listrik)
Konversi Besaran Non-Listrik ke Besaran-Listrik
Daerah Ukur dan Besaran Ukur Khas
8
Contoh: SENSOR ARUS BERDASARKAN EFEK HALL
9
Contoh: SENSOR POSISI X,Y GYROSKOP
10
Contoh: SENSOR KELEMBABAN
11
III. KARAKTERISTIK SISTEM PENGUKURAN
x(t) f(x) y(t)
u(t) Besarnya output yang dihasilkan merupakan fungsi sensor dikalikan dengan input yang akan diukur
12
( ) ( ) ( ) ( )tutxxfty =
u(t) merupakan gangguan dari lingkungan
f(t) fungsi sensor
x(t) adalah input besaran fisis
3
Karakteristik Statis Pengukuran(kuantitas yang diukur berubah secara lambat dengan waktu)
AkurasiKualitas yang mencirikan kemampuan instrumen ukur untukmemberikan hasil yang mendekati nilai sebenarnya. Akurasipengukuran proses kalibrasi statis sensor/alat ukur
Setiap penyimpangan pengukuran dari harga sebenarnya
13
kesalahan/simpangan (error). Ketidak akurasian biasanyadinyatakan sebagai
( ) ( ) ttma XXX −=100%ε Xt nilai sebenarnya Xm harga terukur
( ) ( ) FSOtmf XXX100% −=ε ε εf a≤
ketidak akurasian dinyatakan dalam persentase skala penuh (FSO)
PresisiKualitas yang mencirikan kemampuan instrumen ukur untukmemberikan keluaran yg sama jika dilakukan pengukuran padakondisi yang sama
14
Situasi pengukuran memperlihatkan perbedaan antara akurasi dan presisi. Pada kasus (a) akurasi tinggi dan presisi rendah. Pada kasus (b) presisi tinggi
tapi akurasi rendah
ResolusiKenaikan terkecil dari nilai pengukuran yang dapat menghasilkan kenaikan output, dinyatakan dalam rentang pengukuran (%MR).
Kenaikan ∆V output terhadap respon perubahan percepatan ∆a maka resolusi maksimum (Rmax) dari ∆a terkecil:
( )minmaks
minmaks aa
a.100%R−
∆=
15
minmaks
Resolusi rata-rata sepanjang pengukuran adalah
( ) ( )minmaks
n
1i1
ave TTn
T100%R
−
∆=
∑=
n adalah jumlah ∆ Ts dalam rentang pengukuran
RepeatabilityKedekatan antara hasil yang didapat berturut-turut dari pengukurankondisi yang sama
ReproducibilityBerhubungan dengan hasil yang diperoleh dalam waktu yang lama,operator dan kondisi berbeda
Sensitivitas
16
Perbandingan kenaikan output (y) terhadap kenaikan input (x)
HisterisisPerbedaan antara dua nilai output yang berhubungan dengan inputyang sama, tergantung pada arah (menaik atau menurun) berturut-turut nilai input
S yx= ∆
∆
Karakteristik Dinamis
• Sensor/alat ukur respon terhadap input variabelkarena ada elemen penyimpan energi/elemeninersia (masa, induktansi), kapasitansi (listrik,termal, fluida)
• Perilaku thd waktu karakteristik dinamik(k l h di ik d k /d l )
17
(kesalahan dinamik dan waktu respon/delay)
• Ditentukan dg memberikan input variabel (inputtransien (impuls), input periodik (sinusoida),random (noise)
• Perbaikan keluaran hardware/software
IV. DARI SENSOR KE SISTEM INSTRUMENTASI
Instrumentation SystemsSensor Systems
Acceleration [Pewatron]
Sensors
Moisture
Gas
18
Time Measurement, PTB
Sensor Module [Temic]
Temperature [Sysmic, Heraeus]
Temperature
Pressure
4
Development of Sensors and Sensor SystemsDevelopment of Sensors and Sensor Systems
M f t i t h lechn
.
InformationTechnology
Performance to CostRatio
19
Manufacturing technology areinfluenced by different effects
The more process steps are used the more difficult are technological measures
Man
uf. T
e Technology
ManufacturingTechnology
ManufacturingTechnology
Tränkler
Influence Effects in Sensor SignalsInfluence Effects in Sensor Signals
20
V. PEMODELAN MATEMATIS SENSOR
Karakteristik sensor (alat ukur harus digambarkan dalam suatumodel matematis
• Interpolasi poligon hanya memerlukan beberapa titik referensi.
21Interpolasi data dengan poligon
referensi.• Antara titik referensi yang
disimpan dari karakteristik sensor akan diinterpolasi mempergunakan garis lurus
Interpolasi polinomial menggambarkan hubungan fungsional antara n titik referensi yang terukur dari suatu karakteristik sensor dengan polinomial tunggal orde ≤ n-1 sepanjang rentang ukur
22
Interpolasi dengan polynomial orde-4
( ) ∑=
=4
0iii xkxf
Dengan interpolasi belahan kubus (cubic spline) dimungkinkan untuk memperoleh kurva mulus dari karakteristik sensor yang melewati semua titik referensi n+l. Untuk mendapatkan interpolasi tersebut, daerah ukur dibagi menjadi batas-batas interval dengan titik referensi
23Interpolasi dengan belahan kubus
Metode Regresi
Contoh sederhana pemakaian metode pendekatan adalah regresi linear. Gradien m dari karakteristik linier y=f(x)=mx melewati titik asal ditentukan sehingga jumlah deviasi kuadrat dari titik pengukuran n (xk,yk) menjadi minimum
24
5
Ketergantungan suhu k f k ll
Jika perilaku dasar karakteristik sensor diketahui dan tidak berubah secara kualitatif oleh toleransi pembuatan dan sensitivitas silang, metode fungsi dasar adalah cocok untuk menggambarkan efek interferensi pada karakteristik sensor
25
sensor tekanan efek Hall
Sensor tekanan yang mempunyai ketergantungan suhu seperti diperlihatkan pada gambar Suhu nominal adalah v0=20°C. Dengan membatasi fungsi ke dalam bentuk polinomial orde-kedua maka diperoleh sinyal sensor sebagai fungsi tekanan dan suhu
26
6. KESALAHAN PENGUKURAN
Siapa yang mengukur, akan membuat salah…!!!. Tidak ada pengukuran yang bebas kesalahan. Penelitian kemungkinan
kesalahan dan pengaruhnya terhadap nilai-ukur terus dilakukan
Jenis Kesalahan Ukur:a) Kesalahan yang dapat dihindarkan (kesalahan
petunjuk/pemakaian)
27
petunjuk/pemakaian)b) Kesalahan yang dapat dikoreksi – kesalahan sistematis
(kesalahan instrument ukur, kesalahan sistematis dari metode ukur)
c) Kesalahan yang tidak bisa dikoreksi – kesalahan random (acak)
Perhitungan Kesalahan, Nilai Rerata dan Batasan KesalahanNilai rata-rata dari tiap pengukuran
Untuk menghitung nilai rata-rata dari tiap pengukuran diberikan:
Nilai rerata dan jumlah pengukuran. Penyimpangan dari setiap pengukuran diberikan sebagai:
Simpangan sebagian positiv dan sebagian negativ, untuknya berlaku persamaan (1) d l l
28
(1), dan selalu:
Sebaran nilai ukur (pada setiap pengukuran) disekitar nilai rerata dapat dituliskan sebagai standar deviasi
akan memperlihatkan bahwa nilai ukur sebenarnya dengan kemungkinan 63% terletak pada interval berikut:
Kesalahan relatif
Kesalahan Statis Instrumen Ukur (Sensor)
Kurva Sensor Ideal (Soll-Kurve)
Suatu sensor membentuk besaran input x dan output y. Pada kondisi ideal, hubungan tersebut harusnya ideal dan tidak dipengaruhi oleh pengaruh luar
29
Input (besaran
ukur)
output
Kurva Sensor Riil (Ist-Kurve)
Kurva Kesalahan Sensor:
30
• Kesalahan titik nol
• Kesalahan gradien
• Kesalahan linearitas