JENIS JENIS SENSOR BERDASARKAN PRINSIP KERJANYA
A. Berdasarkan Resistansi 1.
Bimetal Bimetal adalah sensor tempertur (termal) yang sangat populer digunakan karena kesederhanaan yang dimilikinya. Bimetal biasa dijumpai pada alat setrika listrik dan lampu kelap-kelip (dimmer). Bimetal adalah sensor temperatur yang terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu.
Gambar 1: Bimetal
Prinsip Kerja Bimetal Bila suatu logam dipanaskan maka akan terjadi pemuaian, besarnya pemuaian tergantung dari jenis logam dan tingginya temperatur kerja logam tersebut. Bila dua lempeng logam saling direkatkan dan dipanaskan, maka logam yang memiliki koefisien muai lebih tinggi akan memuai lebih panjang sedangkan yang memiliki koefisien muai lebih rendah memuai lebih pendek. 2.
Termistor Termistoradalah sensor tempertur (termal) berupa alat semikonduktor yang berkelakuan sebagai tahanan dengan koefisien tahanan temperatur yang tinggi.
Gambar 2: Termistor
Prinsip Kerja Termistor Prinsip kerja termistor adalah memberikan perubahan resistansi terhadap perubahan temperatur. Termistor terdiri dari 2 jenis yaitu PTC(Positive Temperature Coefficient) dan NTC(Negative Temperature Coefficient). Pada termistor jenis PTC, nilai resistansi berbanding senilai terhadap perubahan temperatur.Sedangkan pada NTC, nilai resistansi berbanding terbalik terhadap nilai perubahan temperatur. Termistor PTC terbuat dari material Kristal tunggal sedangkan Termistor NTC terbuat dari material logam oksida.Hal inilah yang menyebabkan tipe NTC lebih banyak tersedia di pasaran. Termistor sangat peka (perubahan tahanan sebesar 5% per ºC) oleh karena itu mampu mendeteksi perubahan kecil di dalam temperatur. 3.
Termokopel Termokopel adalah sensor temperatur (termal) yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan temperatur dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik. Termokopel dapat mengukur temperatur antara -200 ºC sampai 1800 ºC dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1 °C.
Gambar 3: Termokopel
Prinsip kerja termokopel Termokopel memanfaatkan karakteristik hubungan antara tegangan (volt) dengan temperatur. Setiap jenis logam, pada temperatur tertentu memiliki tegangan tertentu pula. Pada temperatur yang sama, logam A memiliki tegangan yang berbeda dengan logam B, terjadilah perbedaan tegangan (kecil sekali, miliVolt) yang dapat dideteksi. 4.
RTD(Resistance Thermal Detector) RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor temperatur (termal) yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan keramik isolator seperti platina, emas, perak, nikel dan tembaga.
Tembaga dapat digunakan untuk sensor temperatur yang lebih rendah dan lebih murah, tetapi tembaga mudah terserang korosi.
Gambar 4: Skema RTD
Prinsip Kerja RTD RTD adalah sebuah transduser temperatur yang tahanan logamnya akan naik dengan kenaikan temperatur. Logam yang dipakai untuk RTD ini bervariasi, mulai dari platinum yang mampu dipakai berulang-ulang, sangat sensitif, dan sangat mahal sampai nikel yang tidak dapat dipakai berulang-ulang, lebih sensitif, dan lebih murah. 5.
Photodioda(LDR) Photodiodamerupakan jenis dioda yang resistansinya berubah-ubah kalau cahaya yang jatuh pada dioda berubahubah intensitasnya.Dalam gelap nilai tahanannya sangat besar hingga praktis tidak ada arus yang mengalir.Semakin kuat cahaya yang jatuh pada dioda maka makin kecil nilai tahanannya, sehingga arus yang mengalir semakin besar. Photodiodabisa digunakan sebagaisensor termal dan sensor optik.
Gambar 5: Photo Dioda
Prinsip kerja photodioda : 1. 2. 3. 4. 5.
Cahaya yang diserap oleh photodioda Terjadinya pergeseran foton Menghasilkan pasangan electron-hole dikedua sisi Elektron menuju [+] sumber & hole menuju [-] sumber Sehingga arus akan mengalir di dalam rangkaian
Saat photodioda terkena cahaya, maka akan bersifat sebagai sumber tegangan dan nilai resistansinya akan menjadi kecil. Saat photodioda tidak terkena cahaya, maka nilai resistansinya akan besar atau dapat diasumsikan tak hingga. 6.
Hygrometer Hygrometer adalah suatu sensor temal yang merupakan sejenis alat untuk mengukur tingkat kelembaban relatif pada suatu tempat. Biasanya alat ini ditempatkan di dalam kontainer penyimpanan barang yang memerlukan tahap kelembapan yang terjaga seperti dry box penyimpanan kamera. Kelembapan yang rendah akan mencegah pertumbuhan jamur yang menjadi musuh pada peralatan tersebut.
Gambar 6:Hygrometer
Kegunaan Alat dan Aplikasi Adapun kegunaan dari Hygrometer adalah untuk mengukur kelembapan relatif (RH) dalam suatu ruangan ataupun keadaan tertentu. Hygrometer diaplikasi dalam berbagai hal untuk penelitian, pengukuran kelembapan dalam suatu area dan lainnya. Prinsip Kerja dan Cara Pemakaian Adapun prinsip kerja dari Hygrometer yaitu dengan menggunakan dua termometer. Termometer pertama dipergunakan untuk mengukur temperatur udara kering dan yang kedua untuk mengukur temperatur udara basah. Hygrometer terdapat dua skala, yang satu menunjukkan kelembaban yang satu menunjukkan temperatur. Cara penggunaannya dengan meletakkan di tempat yang akan diukur kelembabannya, kemudian tunggu dan bacalah skalanya. Skala kelembaban biasanya ditandai dengan huruf h dan kalau temperatur dengan derajat celcius (ºC).
7.
Strain Gage Strain Gage, prinsip kerjanya didasarkan pada efek piezoresistive dari bahan semikonduktor, seperti silikon dan germanium. Sensor ini secara fisik bentuknya dibuat kecil. Sensor ini mempunyai keluaran yang sensitip terhadap perubahan temperatur , dan perubahan tahanannya sangat sensitif tetapi tidak linier. Perubahan tahanan dinyatakan dengan Gage Faktor (GF) yaitu perbandingan perubahan tahanan dan perubahan panjang (akibat terjadi regangan),Strain Gage jugasensitifterhadapperubahantemperatur. Oleh karena itu akan terjadi perubahan Gage Faktor jika temperaturnya berubah. Selain itu strain gage juga dapat mendeteksi besarnya perubahan, dalam seperti dimensi jarak, yang disebabkan oleh suatu elemen gaya. Strain gage menghasilkan perubahan nilai tahanan yang proporsional dengan perubahan panjang atau jarak (length).
Gambar 7. strain gage
Untukmendapatkansensitifitas yang tinggimakamenggunakanrangkaianjembatan Wheatstone seperti gambar dibawah ini :
Gambar 8. Jembatan Wheatstone
8.
Potensiometer Potensiometer yang tersedia di pasaran terdiri dari beberapa jenis, yaitu: potensiometer karbon, potensiometer wire wound dan potensiometer metal film. 1. Potensiometer karbon adalah potensiometer yang terbuat dari bahan karbon harganya cukup murah akan tetapi kepressian potensiometer ini sangat rendah biasanya harga resistansi akan sangat mudah berubah akibat pergeseran kontak. 2. Potensiometer gulungan kawat (wire wound) adalah potensiometer yang menggunakan gulungan kawat nikelin yang sangat kecil ukuran penampangnya. Ketelitian dari potensiometer jenis ini tergantung dari ukuran kawat yang digunakan serta kerapihan penggulungannya. 3. Metal film adalah potensiometer yang menggunakan bahan metal yang dilapiskan ke bahan isolator
a. Wire Wound
b. Tahanan Geser
c. Karbon
Gambar9. jenis - jenis Potensiometer
Potensiometer karbon dan metal film jarang digunakan untuk kontrol industri karena cepat aus. Potensiometer wire wound adalah potensiometer yang menggunakan kawat halus yang dililit pada batang metal. Ketelitian potensiometer tergantung dari ukuran kawat. Kawat yang digunakan biasanya adalah kawat nikelin. Penggunaan potensiometer untuk pengontrolan posisi cukup praktis karena hanya membutuhkan satu tegangan eksitasi dan biasanya tidak membutuhkan pengolah sinyal yang rumit. Kelemahan penggunaan potensiometer terutama adalah: 1. 2. 3. 4.
Cepat aus akibat gesekan Sering timbul noise terutama saat pergantian posisi dan saaat terjadi lepas kontak Mudah terserang korosi Peka terhadap pengotor
Potensiometer linier adalah potensiometer yang perubahan tahanannya sangat halus dengan jumlah putaran sampai sepuluh kali putaran (multi turn). Untuk keperluan sensor posisi potensiometer linier memanfaatkan perubahan resistansi, diperlukan proteksi apabila jangkauan ukurnya melebihi rating, linearitas yang tinggi hasilnya mudah dibaca tetapi hatihati dengan friksi dan backlash yang ditimbulkan, resolusinya terbatas yaitu 0,2 – 0,5%
Gambar 10. Rangkaian uji Potensiometer
9.
Load Cell Load cell adalah sebuah sensor gaya yang banyak digunakan dalam industri yang memerlukan peralatan untuk mengukur . Secara umum, load cell dan sensor gaya berisi pegas (spring) logam mekanik dengan mengaplikasikan beberapa foil metal strain gauges (SG). cara kerja mirip dengan sensor tekanan yaitu mengubah gaya menjadi perpindahan menggunakan rangkaian jembatan untuk pembacaan, kalibrasi dan kompensasi temperatur alternatif lain menggunakan kristal piezoelektrik untuk mengukur perubahan gaya – konfigurasi load cell
Gambar 11. Beberapa Contoh Konfigurasi Load Cell
• Spesifikasi Error dan Nonlinearitas pada Sensor
Gambar Respon sensor secara umum (a) Simpangan dari garis linear (b) Bentuk sinyal terdefinisi 10. Bourdon Tube Sejenispipapendeklengkung , dansalahsatuujungnyatertutup. Jika bourdon tubes diberikantekananmakaiaakancenderunguntuk “menegang”. Perubahan yang dihasilkansebandingdenganbesarnyatekanan yang diberikan.
Gambar 12.Sensor Bourdon Tube
Kelebihan : Tidakmudahterpengaruhperubahan9ias9nding9 Baikdipakaiuntukmengukurtekananantara 30-100000 Psi Kekurangan : • Padatekananrendah 0-30 psi kurang9ias9ndin9ias9nding bellows Sensor tekanandapatdiaplikasikanpada : 1. Pemantaucuaca 2. Pesawatterbang 3. Pengukurtekanan ban ketinggian, 9iaspadapesawatterbang, roket, satelit, balonudaradll 11. Photo Cell Photocell menggunakan prinsip kerja resistor dengan sensitivitas cahaya ( LDR= Light Dependent Resistor) . Apabila kondisi gelap maka nilai resistansi akan menjadi rendah sehingga arus mengalir dan lampu akan menyala. Sebaliknya pada kondisi terang, nilai resistansi menjadi tinggi sehingga arus tidak dapat mengalir dan lampu akan mati. Rangkaian photocell banyak digunakan pada instalasi penerangan lampu jalan, mercusuar, atau lampu-lampu yang membutuhkan otomatisasi. Juga bisa dipasang di instalasi rumah sendiri yang sekiranya membutuhkan penyalaan otomatis, sebagai contoh apabila kita bepergian Jauh atau Mudik kita tidak perlu bingung-bingung menyalakan lampu atau seumpama kita lupa mematikan lampu dengan dipasang photocell maka lampu akan mati sendiri sehingga kita dapat menghemat energi listrik.
Gambar 13. Sensor Proximity
B. Berdasarkan Induktansi dan Medan Magnet
1.
Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Linier Variable Differensial Transformer (LVDT) mempunyai fungsi yang sama dengan potensiometer. LVDT terdiri atas lilitan (coil) dan inti (core) Lilitan adalah bagian dari rangkaian osilator, dimana perubahan posisinya akan menyebabkan perubahan induktansinya. LVDT ini tidak terjadi pergeseran mekanis sehingga usia sensor ini menjadi lebih lama. Apabila dibandingkan dengan sistem potensiometer maka sensor ini mempunyai kelebihan yaitu tahan terhadap getaran mekanis, shock dan lai-lain. Apabila dilihat dari konstruksinya maka didapatkan beberapa keuntungan sebagai berikut : Lebihsensitifterhadapgerakan, Catu dayanya dapat berupa tegangan ac atau dc osilator, Keluaranya (output) berupa tegangan, sehingga mudah untuk pengaturan proses selanjutnya.
Gambar 14. LVDT
Cara kerja LVDT yaitu Pada saat posisi inti di tengah, maka tegangan sekunder pada lilitan dengan resistor R1 dan R2, (dengan harga R1 sama dengan R2) maka besarnya arus pada I1 sama dengan I2, sehingga tegangan drop pada R1 sama dengan tegangan drop R2. Jika inti berada di atas (pada posisi R1) maka tegangan drop pada R1 lebih besar dari pada R2, demikian juga sebaliknya jika posisi inti di bawah maka tegangan drop pada R2 akan lebih besar. 2.
Proximity Prinsip kerja Sensor proximity adalah memanfaatkan sifat cahaya yang akan dipantulkan jika mengenai benda berwarna terang dan akan diserap jika mengenai benda berwarna gelap. Sebagai sumber cahaya kita gunakan LED (Light Emiting Diode) yang akan memancarkan cahaya
merah. Dan untuk menangkap pantulan cahaya LED, kita gunakan photodiode. Jika sensor berada diatas garis hitam maka photodioda akan menerima sedikit sekali cahaya pantulan. Tetapi jika sensor berada diatas garis putih maka photodioda akan menerima banyak cahaya pantulan. Berikut adalah ilustrasinya :
Gambar 15. Ilustrasi Proximity
Sifat dari photodioda adalah jika semakin banyak cahaya yang diterima, maka nilai resistansidiodanya semakin kecil. Dengan melakukan sedikit modifikasi, maka besaran resistansi tersebut dapat diubah menjadi tegangan. Sehingga jika sensor berada diatas garis hitam, maka tegangan keluaran sensor akan kecil, demikian pula sebaliknya.
C. Berdasarkan Material Tertentu 1.
Phototransistor Phototransistor merupakan komponen elektronika yang berfungsi sebagai detektor cahaya infra merah. Detektor cahaya ini mengubah efek cahaya menjadi sinyal listrik, oleh sebab itu fototransistor termasuk dalam golongan detektor optik. Phototransistorbisa digunakan sebagai sensor termal dan sensor optik.
Gambar 16:Phototransistor
Prinsip kerja phototransistor
Phototransistor memiliki sambungan kolektor–basis yang besar dengan cahaya infra merah, karena cahaya ini dapat membangkitkan pasangan lubang elektron. Dengan diberi prasikap maju, cahaya yang masuk akan menimbulkan arus pada kolektor. 2.
Photomultiplier Photomultipliermerupakan sensor cahaya yang berfungsi untuk mengubah percikan cahaya menjadi berkas elektron, sehingga dapat diolah lebih lanjut sebagai pulsa/arus listrik. Photomultiplierbisa digunakan sebagai sensor termal dan sensor optik.
Gambar 17:Photomultiplier
Prinsip Kerja Photomultiplier Cara kerja PMT mirip Phototube, terdiri dari photocathode dan beberapa buah anode (tidak seperti pada phototube yang hanya terdiri dari satu buah anode) yang disusun secara seri (disebut dynode). Sinar UV (photons) yang ditembakan ke cathode akan menyebabkan emisi electron dari cathode ke anode. Anode yang satu dengan yang lainya diberi beda potensial, sehingga apabila emisi electron dari cathode sampai di dynode pertama, akan ada tambahan electron yang diteruskan ke dynode berikutnya, dan seterusnya sehingga secara akumulasi jumlah electron yang emisi di dynode terakhir semakin banyak (arusnya semakin besar), itu sebabnya mengapa PMT lebih sensitif dibandingkan dengan phototube. 3.
Photovoltaic Adalah alat sensor cahaya yang mengubah energi cahaya langsung menjadi energi listrik. 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 cahaya matahari penuh. Sel photovoltaic adalah jenis tranduser cahaya seperti pada gambar dibawah ini.
Photovoltaicjuga bisa digunakan sebagai sensor termal.
Gambar 18: Prinsip Kerja Photovoltaic
Prinsip Kerja photovoltaik Efek sel photovoltaik terjadi akibat lepasnya elektron yang disebabkan adanya cahaya yang mengenai logam. Logam-logam yang tergolong golongan 1 pada sistem periodik unsur-unsur seperti Lithium, Natrium, Kalium, dan Cessium sangat mudah melepaskan elektron valensinya. Selain karena reaksi redoks, elektron valensilogam-logam tersebut juga mudah lepas olehadanya cahaya yang mengenai permukaan logam tersebut. Diantara logam-logam diatas Cessium adalah logam yang paling mudah melepaskan elektronnya, sehingga lazim digunakan sebagai foto detektor. 4.
Infrared Pyrometer InfraredPyrometeratau disebut juga termometer inframerah atau laser adalah sebuah sensor temperatur yang dapat mengukur temperatur tanpa bersentuhan dengan obyek yang akan diukur temperaturnya. Infrared termometer ini hanya diarahkan ke media atau benda yang akan diukur temperaturnya, maka alat ini akan membaca temperatur media tersebut. Alat ini biasanya digunakan untuk: 1. Mengukur temperatur benda yang bergerak, contoh: Conveyor, Mesin, dll) 2. Mengukur temperatur benda berbahaya, seperti: tegangan tinggi, jarak yang tinggi dan sulit dijangkau, dll. 3. Temperatur yang terlalu tinggi dan sulit untuk didekati ataupun disentuh, misalnya : Furnace, thermocouple, dll. Prinsip dasar termometer infra merah adalah bahwa semua obyek memancarkan energi infra merah. Semakin panas suatu benda, maka molekulnya semakin aktif dan semakin banyak energi infra merah yang dipancarkan.
Gambar 19:Infrared Pyrometer
Infrared Thermometer terdiri dari sebuah lensa yang focus mengumpulkan energi infra merah dari obyek ke alat pendeteks/detektor. Detektor akan mengkonversi energi menjadi sebuah sinyal listrik, yang menguatkan dan melemahkan dan ditampilkan dalam unit temperatur setelah dikoreksi terhadap variasi temperatur ambien.Adapun range pengukuran adalah -60ºC - 2400ºC. 5.
Pyrometer Optik Pyrometer optik adalah sebuah instrumen pengukuran temperatur yang menggunakan prinsip pancaran radiasi benda panas. Pyrometer optik secara visual membandingkan tingkat kecerahan permukaan sebuah benda sengan referensi sebuah sumber radiasi tertentu. Benda referensi yang digunakan biasanya berupa filamen tungsten yang dipanaskan secara elektrik. Di dalam alat ini juga digunakan sebuah filter warna merah sehingga secara visual didapatkan gelombang tertentu yang dapat dikomparasi dengan titik referensi. Alat ini dapat menentukan temperatur permukaan benda dengan angka emisivitas 1.0
Gambar 20. Skematik Pyrometer Optik
Pyrometer optik sangat cocok digunakan untuk mengukur logam panas, karena jika alat ini dikalibrasi dengan baik ia akan sangat sempurna mengukur temperatur logam di atas 1500oF (816oC). Sehingga alat ini sangat ideal untuk digunakan pada industri-industri yang melibatkan proses pemanasan logam seperti boiler, perlakuan panas untuk logam dan sebagainya. Namun pyrometer optik tidak cocok jika digunakan untuk mengukur temperatur gas, karena gas panas tidak memancarkan radiasi seara kasat mata.
