Unit 17 Penderia (Sensor)

PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 1

Objektif am :

Mengetahui dan memahami kegunaan perantipenderia yang berkaitan dengan cahaya, suhu, bunyi, tekanan dan kelembapan.

Objektif khusus :

Mentakrifkan penderia(sensor).

Menerangkan fungsi dan kendalian penderia dari jenis cahaya, suhu, bunyi, tekanan dan kelembapan.

Menerangkan contoh-contoh kegunaan serta aplikasi penderia di industri.

OBJEKTIF


17.0 PENGENALAN

Penderia merupakan alat yang menukarkan satu bentuk tenaga/isyarat kepadasatu bentuk tenaga/isyarat yang lain. Contohnya menukarkan dari tenaga/isyarattekanan kepada tenaga elektrik. Antara jenis-jenis penderia yang biasa digunakan terdiri dari jenis cahaya, suhu, tekanan dan bunyi.

Tekanan penderia elektrik

Tekanan piezoelektrik elektrik

Elektrik motor pusingan sudut

Terbahagi kepada dua jenis iaitu :

1. Penderia aktif - tidak memerlukan sumber tenaga dari luar untuk berkendali.

2. Penderia pasif - memerlukan sumber tenaga dari luar untuk berkendali.

17.1 Cahaya

INPUT

Tenaga cahaya

Tenaga elektrik


17.1.1 LDR (light diod resistor)

Satu elemen dimana kendaliannya bergantung kepada gelombang cahaya.LDR boleh dianggap sebagai perintang yang mana nilai rintangannya dikawal oleh keamatan cahaya. Bila keamatan cahaya tinggi rintangan adalah rendah. Bila keamatan cahaya rendah rintangan adalah tinggi.

Rajah 17.1 : Kegunaan LDR

Lampu boleh dipasang dan dipadam secara otomatik dengan menggunakan litar dari rajah 17.1.

Pada rajah 17.2, digunakan apabila rintangan gelap bagi LDR lebih tinggi dari R dan rintangan cerahnya lebih rendah dari R.

Pada waktu malam, rintangan LDR akan lebih tinggi dari R, voltan pada tapak (B) transistor menjadi positif. Seterusnya arus akan melalui ke pemungut (C) transistor dan ini akan membuat geganti tertutup seterusnya lampu terpasang.

Pada siang hari, rintangan LDR menjadi rendah, voltan yang dikenakan pada tapak(B) transistor menjadi negatif. Oleh itu tiada arus yang mengalir melalui pemungut (C) transistor maka geganti akan terbuka dan seterusnya lampu akan terpadam.

LD

R

-V

geganti+V

RC

BE

R

Cahaya

Rintangan gelap

Rintangan cerah

lampu


Rajah 17.2 : Ciri rintangan bagi LDR

17.1.2 Photo Transistor

Penderia jenis ini adalah lebih peka terhadap cahaya daripada jenis diod. Apabila ‘kaki tapak’ terkena pancaran cahaya, ianya akan menghasilkan pengaliran arus pada ‘kaki tapak’(Ib) dan mengalirkan arus pada ‘kaki pemungut’(Ic). Dari gambarajah 17.3, apabila persimpangan Je dikenakan pincang hadapan dan simpang Jc dikenakan pincang balikan arus (Ib) adalah kecil dan transistor tidak dapat berfungsi. Tetapi apabila cahaya mengenai transistor, khususnya pada simpang Jc, elektron akan dihasilkan dengan banyaknya. Bila ini berlaku Ic akan mengalir dengan nilai yang tinggi dan oenderia berfungsi. .Pertambahan Ic ini bergantung kepada keamatan cahaya.

+

-VCE

C

E

Jc

Je

+V


Rajah 17.3a Photo Transistor Rajah 17.3b Simbol Photo Transistor17.1.3 Photo Diod

Asasnya penderia Photo diod ialah sebuah diod seperti rajah 17.4a.Permukaan katodnya disaluti dengan bahan-bahan seperti ‘cesiumantimony’ atau ‘potasium oksida’ yang sangat peka kepada cahaya.

Apabila pancaran cahaya dikenakan ke atas permukaan katod, ianya akan mengeluarkan elektron dan mengalirkan arus. Arus yang mengalir ini boleh diukur dengan ammeter yang ditentukur dengan menggunakan unit ‘lumen’ iaitu unit untuk cahaya.

Jenis kaca pada tiub akan menentukan kepekaan penderia tersebut kepadapanjang gelombang cahaya. Pada amnya tiub kaca akan memotongsinaran pancaran dalam julat ultra-violet.

Berpandukan kepada lengkung cirri arus-voltan di rajah 17.4b, apabilavoltan yang mencukupi dipasang di antara anod dan katod, arus yang mengalir bergantung kepada jumlah cahaya yang dipancarkan.

Ciri arus-cahaya di rajah 17.4c menunjukkan gerakbalas yang linear(boleh ditentukur secara linear).

Rajah 17.4a : Simbol Photo diod

N

P

N

Pancaran

Pancaran

cahayaI

R


Rajah 17.3b : Ciri arus-voltan Photo Diod

Rajah 17.3c : Ciri-ciri arus-cahaya Photo Diod

17.2 Suhu

17.2.1 Penganding Suhu (Thermocouple)

Termokupel pada rajah 17.5a mempunyai satu pasang dawai yang berlainan. Pasangan dawai ini disambung pada satu hujung(cantuman panas) dan terbuka pada hujung yang satu lagi(cantuman sejuk). Hujung terbuka dikekalkan pada satu nilai suhu yang tetap. Apabila terdapat perbezaan suhu di antara cantuman sejuk dan panas, daya gerak elektrik (d.g.e) akan dihasilkan dan ini akan menyebabkan arus mengalir didalam litar. Apabila disambungkan satu meter pada cantuman sejuk yang terbuka itu, nilai arus yang mengalir dapat diukur. Arus adalah

Arus Anod ( A)

Lumen0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

Volt40 80 120 160

Arus Anod ( A)

Fluks cahaya (Lumen)


berkadar terus dengan perbezaan suhu di antara cantuman panas dan sejuk. Magnitud d.g.e yang dihasilkan bergantung kepada logam dawai dan juga perbezaan suhu di antara cantuman panas dan cantuman sejuk.

Kesan termo-elektrik yang disebabkan oleh keupayaan sesentuh pada cantuman dikenali sebagai ‘Kesan Seeback’.

Magnitud d.g.e yang dihasilkan bergantung kepada logam padwai dan juga pebezaan suhu di antara cantuman.

Rajah 17.5a : Termokupel

meterbahan G

Tiub T

Cantuman panas

Cantuman sejuk


Rajah 17.5b : Graf keluaran termokupel melawan suhu untuk beberapa jenis logam

Rajah 17.5c : Ciri rintangan suhu

Ker

inta

ngan

(

cm )

Suhu C

Vol

tan

kelu

aran

term

okum

el

Suhu x 102 C


17.2.2 RTD (Resistance Temperature Detector)(Pengesan Suhu Rintangan)

Contoh RTD yang biasa digunakan adalah Termistor (Thermal resistor). Termistor merupakan komponen separa pengalir yang boleh dianggapkan sebagai perintang yang mempunyai angkali suhu rintangan negatif. Ini bererti bahawa rintangannya akan berkurangan apabila suhunya bertambah.

Rintangan termistor pada suhu bilik boleh susut sebanyak 6% untuk satu darjah Centigrade kenaikan suhu. Kepekaan yang tinggi pada perubahan suhu ini membuat termistor sangat sesuai untuk ukuran suhu dengan tepat sekali dan juga sebagai alat kawalan dan pemanasan. Julat suhu kegunaannya ialah di antara –100C hingga 300C.

Termistor dibuat dari campuran bersinar logam oksida iaitu manganese, nikel, kobalt, tembaga, besi dan uranium.

Julat rintangan termistor adalah dari 0.5 ohm hingga 75 Mohm dan didapati dalam berbagai bentuk dan saiz.


Uji Kefahaman anda sebelum meneruskan input selanjutnya . Sila semak jawapan anda pada maklumbalas di halaman berikutnya.

17.1 Nyatakan takrifan bagi penderia dan berikan dua contoh penderia yang selalu digunakan.

17.2 Dengan bantuan gambarajah litar, terangkan penggunaan penderia jenis cahaya iaitu LDR.

17.3 Jelaskan binaan bagi sebuah Termokupel.

17.4 Terangkan kesan termo elektrik(seeback) didalam penderia Termokupel.

AKTIVITI 17a


17.3 Bunyi

17.3.1 Ultrasonik

Ultrasonik merupakan penderia yang digunakan untuk mengesan frekuensi bunyi. Ia menggunakan satu pemancar yang akan mengeluarkan satu gelombang bunyi yang telah disetkan pada satu julat tertentu. Pancaran gelombang tersebut akan di kesan oleh satu alat penerima yang mana akan berkeadaan positif sekiranya terdapat satu gangguan atau halangan bagi laluan gelombang yang sepatutnya diterima oleh alat penerima tersebut.

17.4 Tekanan

17.4.1 Strain Gauge (Tolok Terikan)

Strain Gauge tergolong dalam penderia pasif di mana rintangan Strain Gauge akan berubah apabila daya mekanikal dikenakan ke atasnya. Ianya terbahagi kepada dua jenis iaitu: i. Jenis terikat (bounded)ii. Jenis tidak terikat (unbounded)

Strain Gauge jenis terikat terdiri daripada satu kepingan logam nipis dan diperketatkan pada satu bahan penyokong seperti yang ditunjukkan dalam rajah 17..

Rajah 17.6a Strain Gauge jenis terikat

Logam nipis

INPUT

Bahan penyokong


Strain Gauge jenis tidak terikat terdiri daripada satu dawai halus yang dibentukkan pada penyokong-penyokongnya dan dikenali juga sebagai ‘Wire Strain Gauge’.

Rajah 17.6b : Wire Strain Gauge

17.4.1.1 Prinsip kendalian

Apanila Strain Gauge dikenakan tegasan dari luar, rintangan dawai akan berubah disebabkan olej perubahan panjang dawai akibat dari pemanjangan atau mampatan. Perubahan rintangan pada Strain Gauge adalah berkadaran dengan terikan pada bahan dan diukur dengan mengunakan litar Tetimbang Wheatstone.

17.4.1.2 Kepekaan suatu Strain Gauge diberi dalam sebutan Faktor Tolok iaitu nisbah perubahan rintangan per unit (R/R) dengan perubahan panjang per unit (l/l)

Di mana K = Faktor Tolok R = rintangan asal Strain Gauge R = perubahan rintangan Strain Gauge l = panjang bahan diukur l = perubahan panjang

17.4.2 Piezoelektrik

penyokong

Dawai halus

FAKTOR TOLOK, K = R / R l / l


Piezoelektrik merupakan bahan aktif yang berupaya mengeluarkan voltan dan arus sendiri apabila dirangsang oleh satu tenaga yang berbentuk fizikal. Bahan yang biasa digunakan didalam penderia ini ialah kuartza. Walaubagaimana pun ‘piezoelektrik synthetic’ yang mengandungi bahan titanate seramik adalah terdiri daripada serbuk-serbuk halus dibawah tekanan yang menjadikannya satu bahan yang mempunyai medan elektrik arus terus yang kuat.

Manakala piezoelektrik hablur digunakan sebagai satu cara untuk mengukur tenaga.

Rajah 17.6 Piezoelektrik

17.4.2.1 Prinsip Kendalian

Bahan binaan piezoelektrik terdiri daripada bahan yang menghasilkan cas-cas elektrikapabil terkena daya atau tekanan. Beban hablur atau kristal akan mengeluarkan daya gerak elektrik. Kristal ini akan diapit di antara tapak dan plet yang mengalami

sejumlah daya bila tekanan dari bahagian atas kristal dan ianya akan tertekan dan mengeluarkan

daya gerak elektrik pada punca keluaran 1 dan 2. Pengeluaran daya gerak elektrik pada punca Keluaran 1 dan 2 adalah berkadar terus dengan kekuatan tekanan.

17.4.2.2 Kegunaan

tapak

Plet daya(diafram)

Tekanan masukan

keluaran


Piezoektrik digunakan untuk mengukur perubahan tekanan, getaran dan bunyi. Juga sebagai meter pecutan frekuensi tinggi kerana ia mempunyai tindakbalas frekuensi yang baik. Biasanya ia digunakan didalam system penguat.

17.5 Kelembapan

17.5.1 Humidity Sensor / Penderia Kelembapan

Humidity sensor atau penderia kelembapan terbentuk daripada lapisan polimer thermoset, elektrod platinum serta cip silicon voltan bersepadu untuk keluaran isyarat seperti yang ditunjukkan dalam rajah 17.7.

17.5.1.1 Cara Beroperasi

Kandungan air pada lapisan dielektrik akan bertindak balas dengan gas di sekelilingnya. Bagi penderia, lapisan platinum poros akan mengenalpasti tindak balas luar dielektrik manakala lapisan polimer akan menyediakan pertahanan nekanikal untuk lapisan platinum daripada habuk, kekotoran serta minyak.

Sekiranya lapisan kekotoran terlalu tebal, maka ini akan menyebabkan masa bertindak balas bagi deria akan menjadi semakin perlahan kerana kelembapan air akan lambat bertindak balas dengan penderia.

Rajah 17.7 Penderia Kelembapan

Habuk, kotoran & minyak tidak akan memeberi kesan kepada sensor


Uji Kefahaman anda sebelum meneruskan input selanjutnya . Sila semak jawapan anda pada maklumbalas di halaman berikutnya.

17.1 Nyatakan dua jenis penderia tekanan (Strain Gauge) dan lukiskan gambarajahnya.

17.2 Berikan takrifan Faktor Tolok.

17.3 Dengan bantuan gambarajah, terangkan kendalian bagi Piezoelektrik.

17.1 Rujuk input 17.0

17.2 Rujuk input 17.1.1 dan input rajah 17.1a

17.3 Rujuk input 17.2.1 dan input rajah 17.4a

17.4 Rujuk input 17.2.1

AKTIVITI 17b

MAKLUM BALAS 17a

MAKLUM BALAS 17b


17.1 Rujuk input 17.4.1

17.2 Rujuk input 17.4.1.2

17.3 Rujuk input 17.4.2.1 dan input rajah 17.6.

Anda telah menghampiri kejayaan. Sila cuba semua soalan dalam penilaian kendiri ini dan semak jawapan anda pada maklumbalas yang telah disediakan.

17.1 Berikan keterangan ringkas mengenai ‘penderia kelembapan ‘

seperti yang terdapat dalam unit ini.

17.2 Apakah dia ‘penderia ultrasonik’ . Terangkan.

PENILAIAN KENDIRI

SELAMAT MENCUBA

MAKLUM BALAS PENILAIAN KENDIRI




Documents

Unit 17 Penderia (Sensor)