Macam-macam dan Cara Kerja Sensor Mekanik

loading...

Sensor Mechanics

Tujuan Umum

Setelah mahasiswa mempelajarai bab ini, diharapkan dapat memahami fungsi dan peranan sensor mekanik dalam teknik pengukuran dan pengontrolan sistem di dunianyata dengan baik.

Tujuan Khusus

Setelah mempelajari topik demi topik dalam bab ini maka diharapkan mahasiswa dapat :

1.    Mengerti tentang macam-macam dan fungsi dari sensor posisi dengan baik.

2.    Mengerti tentang jenis, fungsi dan kegunaan dari sensor kecepatan dalam sistem kendali berumpan balik dengan baik

3.    Mengerti jenis-jenis dan penerapan dari sensor tekanan dalam sistem pengaturan berumpan balik dengan baik

4.    Mengerti macam, fungsi dan kegunaan dari sensor aliran fluida dengan baik

5.    Mengerti tentang macam, fungsi dan penerapan sensor level dalam sistem otomasi industri dengan baik

Pendahuluan

Pergerakkan mekanis adalah tindakan yang paling banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, seperti perpindahan suatu benda dari suatu posisi ke posisi lain, kecepatan mobil di jalan raya, dongrak mobil yang dapat mengangkat mobil seberat 10 ton, debit air didalam pipa pesat, tinggi permukaan air dalam tanki.Semua gerak mekanis tersebut pada intinya hanya terdiri dari tiga macam, yaitugerak lurus, gerak melingkar dan gerak memuntir. Gerak mekanis disebabkan oleh adanya gaya aksi yang dapat menimbulkan gaya reaksi. Banyak cara dilakukan untuk mengetahui atau mengukur gerak mekanis misalnya mengukur jarak atau posisi denganmeter, mengukur kecepatan dengan tachometer, mengukur debit air dengan rotameterdsb. Tetapi jika ditemui gerakan mekanis yang berada dalam suatu sistem yangkompleks maka diperlukan sebuah sensor untuk mendeteksi atau menginformasikannilai yang akan diukur. Berikut akan dijabarkan beberapa jenis sensor mekanis yang sering dijumpai di dalam kehidupan sehari-hari.

3.1. Sensor Posisi

Pengukuran posisi dapat dilakukan dengancara analog dan digital. Untuk pergeseran yang tidak terlalu jauh pengukuran dapat dilakukan menggunakan cara-cara analog, sedangkan untuk jarak pergeseran yang lebih panjang lebih baik digunakan cara digital. Hasil sensor posisi atau perpindahan dapat digunakan untuk mengukur perpindahan linier atau angular. Teknis perlakuan sensor dapat dilakukan dengan cara terhubung langsung (kontak) dan tidak terhubung langsung (tanpa kontak).

               

3.1.1. Strain gauge (SG)

Strain gauge dapat dijadikan sebagai sensor posisi.SG dalam operasinya memanfaatkan perubahan resistansi sehingganya dapat digunakan untuk mengukur perpindahan yang sangat kecil akibat pembengkokan (tensile stress) atau peregangan(tensile strain). Definisi elastisitas (ε) strain gauge adalah perbandingan perubahanpanjang (∆L) terhadap panjang semula (L) yaitu:

atau perbandingan perubahan resistansi (∆R) terhadap resistansi semula (R) sama dengan faktor gage (Gf) dikali elastisitas starin gage (ε) :

Secara konstruksi SG terbuat dari bahan metal tipis (foil) yang diletakkan diatas kertas. Untuk proses pendeteksian SG ditempelkan dengan benda uji dengan dua cara yaitu:

 1.  Arah perapatan/peregangan dibuat sepanjang mungkin (axial)

 2.  Arah tegak lurus perapatan/peregangan dibuat sependek mungkin (lateral)

Gambar 3.1. Bentuk phisik strain gauge

Faktor gauge (Gf) merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari SG.

•      metal incompressible Gf = 2

•      piezoresistif Gf =30

•      piezoresistif sensor digunakan pada IC sensor tekanan

Untuk melakukan sensor pada benda uji maka rangkaian dan penempatan SG adalah

•      disusun dalam rangkaian jembatan

•      dua strain gauge digunakan berdekatan, satu untuk peregangan/perapatan , satu untuk  kompensasi temperatur pada posisi yang tidak terpengaruh peregangan/perapatan

•      respons frekuensi ditentukan masa tempat strain gauge ditempatkan

Gambar 3.2. Pemasangan strain gauge: (a) rangkaian jembatan

(b) gage1 dan gage 2 posisi 90  (c) gage 1 dan gage 2 posisi sejajar

 3.1.2. Sensor Induktif dan Elektromagnet

        Sensor induktif memanfaatkan perubahan induktansi

       • sebagai akibat pergerakan inti feromagnetik dalam koil

       • akibat bahan feromagnetik yang mendekat

Gambar 3.3. Sensor posisi: (a) Inti bergeser datar  (b) Inti I bergser berputar (c) Rangkaian variable induktansi

      Rangkaian pembaca perubahan induktansi

•      dua induktor disusun dalam rangkaian jembatan, satu sebagai dummy

•      tegangan bias jembatan berupa sinyal ac

•      perubahan induktasi dikonversikan secara linier menjadi perubahan tegangan

Sensor mekanis

Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis seperti perpindahan atau pergeseran, posisi gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level, dan sebagainya. Contoh sraingage, sensor kapasitif (mengubah pergeseran menjadi perubahan kapasitansi),sensor induktif, proksimiti dan sebagainya.

a.Sensor Tekanan

Starin Gage

Prinsip kerja starain gage adalah mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Besanya tegangan didasarkan pada prinsip  bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang. Tekanan yang diberikan  pada kawat  menyebabkan  kawat  bengkok sehingga menyebabkan  ukuran  kawat  berubah  dan  mengubah tahanannya, seperti terlihat pada gambar 29.

Gambar 30. Penggunaan Sensor Tekan pada Pengukur Regangan Kawat

Sensitifitas sebuah strain gage dijelaskan dengan suatu karakteristik yang dijelaskan dengan factor gage,k, didefinisikan sebagai perubahan satuan tahanan dibagi dengan perubahan satuan panjang karena setiap tekanan yang diberikan kepada bahan akan mempengaruhi panjang bahan, luas permukaan bahan, dan perubahan tahanan.

b.Transduser Kapasitif

Memanfaatkan perubahan kapasitansi:

1.    Akibat perubahan posisi bahan dielektrik diantara kedua keeping

2.    Akibat pergeseran posisi salah satu keping dan luas keping yang berhadapan langsung

3.    Akibat penambahan jarak antara kedua keping

Gambar 32. Sensor posisi kapasitif: (a) pergeseran media mendatar, (b)pergeseran  berputar, (c) pergeseran jarak plat

4.    Cukup sensitif tetapi linieritas buruk

5.      Nilai kapasitansi berbanding lurus dengan area dan berbanding terbaik dengan jarak

6.      Rangkaian jembatan seperti pada sensor induktif dapat digunakan dengankapasitor dihubungkan paralel dengan resistansi (tinggi) untuk memberi jalur DCuntuk input op amp

7.      Alternatif kedua mengubah perubahan kapasitansi menjadi perubahan frekuensiosilator.

Gambar 33. Pemakaian sensor Humidity pada rangkaian elektronik:

kapasitansi menjadi frekuensi

8.    Solusi rangkaian murah dengan osilator relaksasi dual inverter CMOS

a.   Transduser untuk Mendeteksi Pergeseran Akibat Gaya Transduser yang digunakan untuk mendeteksi  perubahan gaya. Prinsip kerja dari transduser ini adalah dengan mengubPah induktansi dari sepasang kumparan atau dengan mengubah induktansi kumparan tunggal. Dengan mengubah jangkar feromagnetik yang digeser oleh gaya yang akan diukur, dengan mengubah fermeabilitas medium.

Deskripsi Produk ini merupakan sensor yang mampu mendeteksi getaran, yang  emudian sinyal getaran ini diteruskan ke output digital. Digunakan sebagai saklar digital. Penggunaannya sangat mudah, cukup hubungkan dengan pin  digital Arduino Anda melalui I/O  Expansion Shield.

Gambar 34. Induktor Kumparan Dobel

(William D.C, 1993)

Dari persamaan dan gambar di atas sebuah induktor dapat digunakan untuk  mendeteksi pergeseran benda gaya, benda yang digeser – geser karena perubahan gaya akan mempengaruhi konstanta permeabilitas dari induktor tersebut, menggeser benda sama artinya dengan mengubah µr sehingga harga induktansi akan berubah (untik PTE). Kesimpulannya bahwa sensor ini dapat mendeteksi perubahan gaya yang dibaca sebagai perubahan induktasi.

b.   Transducer perpindahan menggunakan resistansi terubah 

Gambar 35. Sensor Perpindahan

Harga resistansi berbanding lurus dengan l sehingga jika panjang resistor perubah maka resistansinya berubah. Denganmemberi sumber dari luar maka akan didapatkanperpindahan berbanding lurus dengan tegangan keluaran.

C.Rangkuman 2

Syarat umum sebuah sensor adalah linieritas, sensitivitas tanggapan waktu, dan

jangkauan.

1.       Untuk mendeteksi panas antara lain dapat menggunakan sensor : thermocouple, RTD, thermistor, bimetal, IC sensor LM35.

2.       Untuk mendeteksi intensitas cahaya dapat menggunakan sensor : Fotolistrik.Fotodioda, LDR, Fotofoltaic, Cell Foto Emisive, Foto Multypier, Foto Transistor.

3.       PenggunaanLM35 mempunyai linieritas yang bagus dan jangkauan pengukuran antara -55⁰C sampai dengan 155⁰C.

4.       Thermocouple  pada  prinsipnya  menggunakan  perbedaan  suhu antar sambungan penghantar menyebabkan terbangkitnya tegangan DC yang kecil.

5.           Strain gage mengubah tegangan mekanis menjadi perubahan tahanan listrik. Tahanan listrik yang dihasilkan dapat diubah menjadi tegangan dengan cara menggunakanjembatan Wheatstone.

6.           Fotovoltaic atau sel solar adalah sensor cahaya mengubah energi cahaya langsungmenjadi energi listrik

7.       Fotolistrik dapat mengubah intensitas cahaya menjadi arus listrik dalam orde mikroampere.

c.Tugas 2

Cari spesifikasi dan cara kerja berbagai sensor yang ada dipasaran!

loading...