1
PIEZOELEKTRIK 1.1 PENGERTIAN Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton. Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Jacques dan Pierre Curie mengombinasikan pengetahuan akan piroelektrisitas (kemampuan bahan‐bahan tertentu untuk menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan‐ bahan itu dipanaskan atau didinginkan) dengan pemahaman akan struktur dan perilaku sebuah kristal pada kristal turmalin, kuarsa,ratna cempaka, dan garam rossel. Dari uji coba tersebut diketahui bahwa kristal kuarsa dan garam rossel memperlihatkan kemampuan piezoelektrisitas paling besar saat itu. Piezoelektrik berasal dari bahasa Yunani yaitu piezo yang artinya tekanan dan elektrik yang berarti listrik. Bahan piezoelektrik adalah suatu bahan yang apabila diberi stress (tekanan) mekanik akan menghasilkan medan listrik sebaliknya apabila medan listrik diterapkan pada bahan piezoelektrik akan terjadi deformasi mekanik atau perubahan dimensi bahan. Piezoelektrik adalah tumpukan muatan dalam materi padat (kristal atau keramik) tertentu dalam menanggapi regangan mekanik yang dikenakan. Kata piezoelektrik yang berarti memeras atau tekan, dan elektrik yang berarti listrik atau electron. Kata yang
2
piezoelektrik berarti listrik yang dihasilkan dari tekanan. Sumber muatan listrik piezoelektrik merupakan akibat dari efek piezoelektrik.
1.2 BAHAN PIEZOELEKTRIK Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dsb.
Bahan Piezoelektrik Alam
Kuarsa, garam Rochelle, tourmaline
Sangat stabil
Sensitivitas rendah
Bahan Piezoelektrik Buatan
Barium titanate, lead circonate titanate, lead metaniobate
Sensitivitas tinggi
Kurang stabil
3
1.3 KARAKTERISTIK BAHAN PIEZOELEKTRIK Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristalmateri. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).
(A) Sebelum diberi tekanan atau medan listrik. (B) Ketika diberi medan listrik, bahan memanjang. (C) Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek. (D) Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar terjadi.
4
1.4 EFEK PIEZOELEKTRIK Efek piezoelektrik adalah kemampuan dari suatu material untuk bergetar ketika diberikan tegangan pada material tersebut dan sebaliknya, apabila material tersebut diberi tekanan maka material tersebut akan menghasilkan tegangan. Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction.
Efek piezoelektrik langsung Bila pelat piezoelektrik diberi tekanan, maka akan timbul muatan listrik pada
kedua permukaannya Pelat juga merupakan kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu, timbul
beda tegangan Efek piezoelektrik balik Bila pelat piezoelektrik diberi tegangan listrik, maka kedua permukaannya
mendapat tekanan Pelat juga merupakan bahan elastik dengan konstanta elastik tertentu, tebalnya
akan berubah Tegangan bolak-balik Pelat bergetar
5
1.5 TRANSDUCER PIEZOELEKTRIK Transduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energikedalam bentuk energi yang lain. Transduser ultrasonik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dalam bentuk suara dan sebaliknya. Transduser akan mengeluarkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi di atas 20 kHz. Transduser ultrasonik 40 kHz akan membangkitkan gelombang dengan frekuensi 40 kHz, transduser akan aktif jika diberi sinyal dengan frekuensi dengan 40 kHz. Transduser ultrasonik terdiri atas dua macam yaitu pengirim (transmitter) Tx dan penerima (receiver) Rx. Transduser ultrasonik terbuat dari material piezoeletrik, yaitu terbuat dari material quartz (SiO3) atau barium titanat (BaTiO3) yang akan menghasilkan medan listrik pada saat material berubah bentuk atau dimensinya sebagai akibat gaya mekanik.
6
Lapisan tipis piezoelectric adalah suatu bahan tipis yang terbuat dari bahan piezoelectric misalnya Rochelle-salt atau quartz yang memiliki kemampuan menghasilkan tegangan listrik bila dikenai tekanan. Bila bahan tersebut dikenai tekanan maka akan terjadi distorsi dan tekanan listrik akan dihasilkan dari kedua permukaannya (gambar).
Pada prinsipnya, efek piezoelectric diperoleh dari ketidakseimbangan distribusi arus listrik pada bahan piezoelktric yang disebabkan oleh terjadinya tegangan (stress) pada bahan tersebut dan selanjutnya mengakibatkan terjadinya regangan. Bila kedua permukaan bahan tersebut dilapisi dengan bahan logam dan lempengan kecil tembaga ditempelkan padanya, maka perubahan arus listrik ini akan mengakibatkan terjadinya sinyal tegangan listrik pada lempeng tembaga tersebut. Efek ini dapat dibalik yaitu bila tegangan listrik dikenakan pada bahan tersebut maka akan terjadi regangan.
Matching layers, lens
Piezoelectric (PZT) ceramic elements
Backing layer
7
Beberapa transduser yang bekerja menggunakan bahan piezo elektrik antara lain: Piezoelectric elements are also used in the detection and generation of sonar waves. Power monitoring in high power applications (e.g. medical treatment, sonochemistry and industrial processing). Piezoelectric microbalances are used as very sensitive chemical and biological sensors. Piezos are sometimes used in strain gauges. Piezoelectric transducers are used in electronic drum pads to detect the impact of the drummer's sticks.
1.6 RANGKAIAN TRANSDUCER PIEZOELEKTRIK
8
1.7 APLIKASI Penggunaan sensor piezoelektrik untuk menentukan lokasi kerusakan dini pada komponen mesin melalui analisa penjalaran gelombang tegangan (emisi akustik). Penggunaan piezoelektrik pada ultrasonic tranduser untuk pencitraan medis seperti pada USG. Penggunaan sensor piezoelektrik di bidang transportasi seperti pada palang pintu rel kereta yang tanpa penjaga, yang akan menutup otomatis apabila ada kereta api yang mendekat pada jarak tertentu dan akan terbuka kembali ketika kereta api menjauh. Penggunaan piezoelektrik di jepang yang diaplikasikan pada pintu masuk sebuah stasiun. Ada juga penggunaan pada microphone yang memanfaatkan tekanan suara untuk menekan komponen piezoelektrik.
Pemanfaatan bahan piezoelectric pada sistem sonar
9
1.8 KELEBIHAN DAN KELEMAHAN
1.8 KELEBIHAN PIEZOELEKTRIK Elemen piezoelektrik mempunyai beberapa kelebihan penting dibandingkan mekanisme sensing yang lain. Pertama dan yang utama adalah fakta bahwa piranti tersebut membangkitkan sendiri tegangannya. Karena itu elemen ini tidak memerlukan daya dari luar untuk operasionalnya. Untuk suatu aplikasi di mana konsumsi daya sangat terbatas, piranti piezoelektrik sangat berguna.Tambahan lagi, efek piezoelektrik memiliki hukum penyekalaan yang menarik sehingga bermanfaat pada piranti yang kecil.
1.9 KELEMAHAN PIEZOELEKTRIK Piezoelektrik bukanlah suatu dielektrik yang bagus. Ada sedikit kebocoran muatan pada material piezoelektrik. Karena fenomena ini, ada suatu konstanta waktu penyimpanan tegangan pada piezoelektrik setelah diberikan suatu gaya. Konstanta waktu ini tergantung pada kapasitansi elemennya dan pada resistansi kebocorannya. Konstanta waktunya berada pada orde 1 detik. Karena efek ini, piezoelektrik kurang bermanfaat untuk mendeteksi besaran static seperti berat suatu benda.
10
Aspek penting lainnya dalam penggunaan piezoelektrik adalah adanya kenyataan bahwa material piezoelektrik dibuat melalui proses kristalisasi kisi‐kisi (laticce) dalam susunan tertentu. Hal tersebut dilakukan dengan memanaskan kristal sampai diatas suhu Curie sambil menerapkan tegangan pada elektrodanya. Jika kristal telah dipanaskan mendekati suhu Curie, material tersebut dapat menjadi “ de pole “ yang dapat menghasilkan pengurangan sensitifitas piezoelektrik. Untukberagam material, suhu curie ini berada antara 50 –600 ° C. Pemanasan dibawah suhu Curie dapat membatasi penggunaan sensor ini. Kekurangan utama sensing piezoelektrik ini adalah sensitifitasnya hanya bagus untuk sinyal yang berubah‐ubah terhadap waktu. Sensing piezoelektrik tidak dapat beoperasi untuk aplikasi‐aplikasi yang membutuhkan sensitifitas terhadap besaran statik. Meskipun demikian, jika ada sinyal yang berubah terhadap waktu,perlu adanya pemikiran yang serius pada penggunaan elemen sensing piezoelectric.
SENSOR GAS
11
2.1 PENGERTIAN Sumber daya alam yang bermanfaat bagi kehidupan manusia sangatlah banyak tersedia di bumi ini. Baik itu sumber daya alam yang dapat diperbaharui maupun sumber daya alam yang tidak diperbaharui. Gas LPG merupakan salah satu hasil dari sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui.Peranan Gas LPG pada saat ini sangatlah penting bagi kehidupan manusia. Teringat, semakin menipisnya persediaan minyak dibumi ini perlahan – lahan Gas LPG mulai menggantikan peranan utama dari minyak bumi sebagai bahan bakar altetnatif baik itu dalam bidang industri, rumah tangga, maupun transportasi Terkadang kala manusia terbuai akan kayanya sumber daya alam ini. Disaat sengaja maupun tidak sengaja, Gas LPG menjadi dampak negatif terhadap kesehatan manusia bahkan menimbulkan kerugian yang cukup besar apabila tidak digunakan dengan hati – hati terutama bila tidak diketahui telah terjadinya kebocoran dari tabung atau tempat penyimpanan Gas LPG. Seharusnya, Gas LPG tersebut sesuatu yang dapat mempermudah kelangsungan hidup manusia tetapi menjadi kerugian manusia Sensor gas adalah sensor yang befungsi untuk mengukur senyawa gas polutan yang ada di udara,seperti karbon monoksida, hidrokarbon, nitrooksida, dan lain-lain. Sudah semakin banyak dipasaran telah beredar pengindra ga semikonduktor. Tentunya dibedakan oleh sensitivitas sensor tersebut, semakin mahal maka sensitivitas semakin bagus. Pengindra gas tersebut bekerja dengan semakin tinggi konsentrasi gas maka resistansinya semakin rendah. Banyak sekali type sensor gas yang digunakan dan tersedia dipasaran, seperti sensor gas untuk mendeteksi gas LPG yaitu type TGS 2610 dan sensor gas untuk mendeteksi asap rokok yaitu type AF 30. Pada pembahsan ini yang di bahas adalah Sensor Gas Type AF 30. Sensor AF 30 adalah sensor yang dapat mendeteksi asap rokok. Jenis sensor asap secara umum dibagi menjadi 3 macam yaitu ionization smoke detector, photoelectric smoke
12
detector, dan air-sampling smoke detector. Perbedaan dari ketiga jenis smoke detector tersebut hanyalah pada metode deteksinya.
2.2
Cara Kerja Sensor Gas Secara Umum
Terbentuk pada permukaan luar kristal. Tegangan permukaan yang terbentuk akan menghambat laju aliran electron seperti tampak pada ilustrasi gambar.
Ilustrasi penyerapan O2 oleh sensor
Sensor Gas Tipe Semikonduktor a. Prinsip Kerja Sensor Gas Tipe Semikonduktor Sensor gas terdiri dari elemen sensor, dasar sensor dan tudung sensor. Elemen sensor terdiri dari bahan sensor dan bahan pemanas untuk memanaskan elemen. Elemen sensor menggunakan bahan-bahan seperti timah (IV) oksida SnO2, wolfram (VI) oksida WO3, dan lain-lain, tergantung pada gas yang hendak dideteksi. Gambar berikut menunjukkan susunan (struktur) dasar sensor gas.
13
Susunan Dasar Sensor Gas Bila suatu kristal oksida logam seperti SnO 2 dipanaskan pada suhu tinggi tertentu di udara, oksigen akan teradsorpsi pada permukaan kristal dengan muatan negatif . Elektron-elektron donor pada permukaan kristal ditransfer ke oksigen teradsorpsi, sehingga menghasilkan suatu lapisan ruang bermuatan positip. Akibatnya potensial permukaan terbentuk, yang akan menghambat aliran elektron. Di dalam sensor, arus listrik mengalir melalui bagian-bagian penghubung (batas butir) kristal-kristal mikro SnO2. Pada batas-batas antar butir, oksigen yang teradsorpsi membentuk penghalang potensial yang menghambat muatan bebas bergerak. Tahanan listrik sensor disebabkan oleh penghalang potensial ini. Gambar.2 berikut menunjukkan model penghalang potensial antar butir kristal mikro SnO2 pada keadaan tanpa adanya gas yang dideteksi.
14
model penghalang potensial antar butir kristal mikro SnO2 pada keadaan tanpa adanya gas yang dideteksi
Keterangan : eVs = nilai energi penghalang permukaan Gbr.2 Model penghalang antar butir pada keadaan tanpa gas yang dideteksi. Dalam lingkungan adanya gas pereduksi, kerapatan oksigen teradsorpsi bermuatan negatif pada permukaan semikonduktor sensor menjadi berkurang, sehingga ketinggian penghalang pada batas antar butir berkurang. Ketinggian penghalang yang berkurang menyebabkan berkurangnya tahanan sensor butir dalam lingkungan gas.
15
Model penghalang potensial antar butir dalam lingkungan gas Hubungan antar tahanan sensor dan konsentrasi gas pereduksi pada suatu rentang konsentrasi gas dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : Rs = A [ C] -a , dengan : Rs = tahanan listrik sensor A = konstanta [ C] = konsentrasi gas a = gradien kurva Rs
2.3
Karakteristik Sensor
16
Pengaruh Tekanan Parsial Oksigen Gambar berikut menunjukkan hubungan antara tekanan parsial oksigen di atmosfir (PO2) dengan resistensi sensor gas tipe semikonduktor tertentu. Dalam udara bersih semakin tinggi tekanan parsial gas oksigen, semakin tinggi pula resistensi sensor.
Gambar 4. Pengaruh tekanan parsial gas oksigen (PO2) pada resistensi sensor
Sensitivitas Terhadap Gas Sesuai dengan rumus Rs = A [ C ]-a sebelumnya, hubungan resistensi sensor terhadap konsentrasi gas adalah linier dalam bentuk logaritma, dalam rentang tertentu konsentrasi gas ( dari beberapa ppm ke beberapa ribu ppm ). Gambar.5 berikut merupakan suatu contoh hubungan antara resistensi sensor dan konsentrasi gas. Sensor memperlihatkan kepekaan yang berbeda-beda terhadap berbagai gas. Tingkat kepekaan relatif suatu sensor terhadap gas juga tergantung pada jenis bahan sensor dan temperatur. Karena resistensi sensor berbeda dari satu sensor ke sensor lain. Maka karakteristik sensitivitas sensor dinyatakan sebagai rasio resistensi sensor dalam berbagai konsentrasi gas (Rs) dengan resistensinya dalam konsentrasi tertentu suatu gas target (Ro).
17
Karakteristik sensitivitas sensor tertentu terhadap berbagai gas
Respons Sensor Gambar memperlihatkan sifat tertentu ketika suatu sensor dikenakan (diekspos) terhadap suatu gas pendeoksidasi dan ketika sensor tersebut dijauhkan dari gas pendeoksidasi. Resistensi sensor akan menurun tajam dengan cepat ketika dikenakan pada gas, dan ketika dijauhkan dari gas, resistensinya akan kembali ke harga semula setelah waktu yang singkat. Kecepatan respond an kembalinya ke keadaan semula bervariasi sesuai dengan jenis sensor dan jenis gas yang dideteksi.
18
Gambar Suatu contoh respons sensor
Aksi Awal Seperti ditunjukkan pada gambar semua sensor memperlihatkan sifat sementara yang disebut “ aksi awal , ketika sensor yang sebelumnya tak digunakan ataupun disimpan kemudian digunakan / diberi energi di udara. Besarnya Rs turun seketika dengan tajam selama beberapa detik setelah diberi energy, dalam keadaan ada atau tidak ada gas yang dideteksi, yang selanjutnya akan mencapai tingkat yang stabil sesuai dengan keadaan atmosfer sekitarnya. Lamanya aksi awal tergantung pada kondisi atmosfir selama penyimpanan, lamanya penyimpanan, dan jenis sensor.
19
Contoh Aksi Awal
Pengaruh Temperatur dan Kelembaban Prinsip pendeteksian gas dengan sensor gas tipe semikonduktor adalah proses adsorpsi dan desorpsi gas pada permukaan sensor. Sebagai akibatnya, temperatur sekitar akan mempengaruhi karakteristik sensitivitas sensor, karena perubahan laju adsorpsi dan desorpsi.
Contoh Pengaruh Temperatur dan Kelembaban
Demikian juga kelembaban akan menurunkan resistensi, karena uap air teradsorpsi pada permukaan sensor. Gambar berikut merupakan suatu contoh pengaruh temperatur dan kelembabab pada Rs/Ro. Kestabilan Jangka Waktu Lama Gambar berikut menunjukkan kestabilan sensor gas tipe semikonduktor untuk jangka waktu yang lama.
20
Contoh Kestabilan Sensor Jangka Waktu Lama
Pengaruh Tegangan Rangkaian Pemanas Sensor gas tipe semikonduktor menunjukkan karakteristik sensitivitas optimum pada tegangan pemanas yang konstan dan tertentu. Gambar berikut menunjukkan suatu contoh pengaruh tegangan rangkaian pemanas pada sensitivitas sensor terhadap gas. Karena sensitivitas sensor dipengaruhi tegangan pemanas, maka tegangan pemanas harus dipilih sesuai dengan spesifikasi sensor.
Contoh pengaruh tegangan pemanas
c. Rangkaian Pengukuran Dasar Berikut ini adalah gambar rangkaian pengukur dasar merupakan rangkaian pengukur dasar.
21
Rangkaian pengukur dasar Ket: 1 dan 4 elektroda pemanas 2 dan 3 elektroda sensor VH = Voltage pemanas Vc = Voltage Sirkit Sensor RL = tahanan beban VRL = Voltage antar kedua terminal tahanan beban Rs = tahanan semikonduktor sensor Sensor memerlukan dua sumber tegangan, yakni tegangan pemanas (VH) dan tegangan sirkit/rangkaian sensor (Vc). Tegangan pemanas dipakai pada pemanas terintegrasi untuk mempertahankan elemen sensor pada suhu tertentu yang optimal. Tegangan sirkit digunakan untuk memungkinkan pengukuran tegangan (VRL) antar kedua terminal tahanan beban (RL)
22
yang dihubungkan seri dengan sensor. Suatu sirkit catu daya umum dapat digunakan baik untuk Vc maupun VH untuk memenuhi kebutuhan listrik sensor. Konsumsi daya (Ps)pada semikonduktor dibawah 15 mW. Besarnya konsumsi daya dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut: Ps = (Vc-VRL)2 ..............................................................(2.1) Rs Tahanan sensor dapat dihitung dengan rumus berikut: Rs = Vc-VRL X RL .......................................................................... ( 2.2) VRL VRL diukur lebih dahulu.
Kesimpulan 1. Sensor adalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia. Variabel keluaran dari sensor yang diubah menjadi besaran listrik disebut Transduser 2. Sensor gas adalah sensor yang befungsi untuk mengukur senyawa gas polutan yang ada di udara,seperti karbonmonoksida, hidrokarbon, nitrooksida, dan lain-lain. Sudah semakin banyak dipasaran telah beredar pengindra ga semikonduktor. 3. Pengindra gas bekerja dengan semakin tinggi konsentrasi gas maka resistansinya semakin rendah. 4. Banyak sekali tipe sensor gas yang digunakan dan tersedia dipasaran, seperti sensor gas untuk mendeteksi gas LPG yaitu type TGS 2610 dan sensor gas untuk mendeteksi asap rokok yaitu type AF 30.
23
5. Pada dasarnya prinsip kerja dari sensor tersebut adalah mendeteksi keberadaan gasgas yang dianggap mewakili asap rokok, yaitu gas Hydrogen dan Ethanol. 6. Sensitivitas tiap sensor gas bebeda – beda sehingga perbedaan ini dapat dimanfaatkan untuk pengenalan gas.
SENSOR MEKANIK 3.1
PENGERTIAN Gerak mekanis disebabkan oleh adanya gaya aksi yang dapat menimbulkan gaya
reaksi. Banyak cara yang dilakukan untuk mengetahui atau mengukur gerak mekanis, misalnya : -
Mengukur jarak atau posisi dengan meter
-
Mengukur kecepatan dengan tachometer
-
Mengukur debit air dengan rotameter, dll
Pergerakan mekanis dapat dicontohkan dengan kegiatan sehari-hari yang sering dijumpai, misalnya : -
Perpindahan suatu benda dari satu posisi ke posisi lainnya
24
3.2
-
Kecepatan mobil di jalan raya
-
Dongkrak mobil yang dapat mengangkat mobil seberat 10 ton
-
Debit air pada pipa pesat
-
Tinggi permukaan air dalam tangki
JENIS a
Sensor Posisi Pengukuran posisi dapat dilakuka dengan cara analog dan digital. Untuk ergeseran yang tidak terlalu jauh dapat dilakukan dengan mengguakan cara-cara analog, sedangkan untuk jarak pergeseran yang lebih panjang lebih baik digunakan cara digital. Hasil sensor posisi dapat digunakan untuk mengukur perpindahan linier maupun angular.
1
Strain Gauge Strain
gauge
dalam
operasinya
memanfaatkan
perubahan
resistansi
sehingganya dapat digunakan untuk mengukur perpindahan yang sangat kecil akibat pembengkokan (tensile stress) atau peregangan (tensile strain).
25
Elastisitas (ε) strain gauge adalah perbandingan perubahan panjang (ΔL) terhadap panjang semula (L).
Dimana perubahan panjang (ΔL) panjang semula (L) Elastisitas merupakan perbandingan perubahan resistansi (ΔR) terhadap resistansi semula (R) sama dengan faktor gauge (Gf) dikali elastisitas starin gauge (ε) : Faktor gauge (Gf) merupakan tingkat elastisitas bahan metal dari Strain Gauge. metal incompressible Gf = 2 piezoresistif Gf =30 piezoresistif sensor digunakan pada IC sensor tekanan Susunan Strain Gauge
26
Secara konstruksi Strain Gauge terbuat dari bahan metal tipis (foil) yang diletakkan diatas kertas. Untuk proses pendeteksian Strain Gauge ditempelkan dengan benda uji dengan dua cara yaitu: Arah perapatan/peregangan dibuat sepanjang mungkin (axial) Arah tegak lurus perapatan/peregangan dibuat sependek mungkin (lateral) Rangkaian Strain Gauge 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 Contohnya
2
Sensor induktif dan Elektromagnet
27
Sensor induktif memanfaatkan perubahan induktansi. Sebagai akibat pergerakan inti feromagnetik dalam koil. Akibat bahan feromagnetik yang mendekat.
28
(a) Inti bergeser datar (b) Inti I bergser berputar, (c) Rangkaian variable induktansi
29
3
Linier Variable Differential Transformer (LVDT) Transformator ini terdiri dari satu kumparan primer dan dua kumparan sekunder. Kumparan sekunder mempunyai jumlah gulungan yang sama tetapi mereka dihubungkan seri secara berlawanan sehingga gaya gerak listrik (ggl) yang diindusi didalam kumparan sekunder tersebut saling berlawanan. Posisi dari inti dapat bergerak menentukan hubungan fluksi antara kumparan primer yang tereksitasi oleh AC dan masing-masing dari kedua kumparan sekunder. Kontruksi dasar dari sebuah transformator selisih yang berubah secara linier :
30
4
Transduser Kapasitif Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua plat paralel, setiap variasi dalam menyebabkan variasi pada kapasitansi. Prinsip ini diterapkan pada transuser kapasitif. Kapasitansi dari sebuah kapasitor plat paralel diberikan oleh G= (farad) Dimana : A
= luas masing-masing plat , dalam m2
d
= Jarak kedua pelat , dalam m
ϵp
= 9,85 x 10-12 dalam F/m
k
= Konstanta dielektrik
cara kerjannya : -
Gaya diberikan pada diagfragma yang berfungsi sebagai salah satu plat kapasitor, mengubah jarak antara diagfragma dengan plat yang diam
31
-
Perubahan kapasitansi yag dihasilkan ini dapat diukur dengan jembatan AC atau sebuah rangkaian osilator
-
Tranduser sebagai bagian dari rangkaian osilator menyebabkan perubahan frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini merupakan ukuran dari besarnya gaya yang dipasang.
5
Transduser Induktif Dalam transduser induktif pengukuran gaya dilakukan dengan mengubah perbandingan induktansi dari seapasang kumparan dengan mungubah induktansi kumparan tunggal. Dalam masing-masing hal, jangkar feromagnetik yang digerakkan atau digesr oleh gaya yang akan diukur mengubah reluktansi rangkaian magnetik. Perubahan induktansi yang dihasilkan merupakan ukuran bagi besarnya daya yang diberikan.
6
Transduser Perpindahan Digital Optis
7
Transduser Piezoelectric
32
8
Potensiometer Transduser potensiometrik adalah sebuah alat elektromekanik yang mengandung elemen tahanan yang dihubungkan oleh sebuah kontak geser yang dapat bergerak. Gerakan kontak geser menghasilkan suatu perubahan tahanan yang biasa linier, logaritmis, eksponensial dan sebagainya, bergantung pada cara dalam mana kawat tahanan tersebut digulung.
33
b
Sensor Kecepatan (Speed Sensor) Suatu alat / sensor yang dapat mendeteksi adanya perubahan nilai suatu besaran pada tiap satuan waktu. Sensor kecepatan adalah sensor yang memberikan informasi kepada ECM tentang posisi dan perubahan kecepatan sebuah komponen. Secara umum jenis-jenis cara pengukuran kecepatan terbagi menjadi dua cara, yaitu cara angular dan cara translasi. Yang dimaksud dengan pengukuran angular adalah pengukuran kecepatan rotasi atau berputar, sedangkan pengukuran kecepatan translasi adalah kecepatan gerak lurus beraturan dan kecepatan gerak lurus tidak beraturan. Proses penginderaan sensor kecepatan merupakan proses kebalikan dari suatu motor, dimana suatu poros/object yang berputar pada suatui generator akan menghasilkan suatu tegangan yang sebanding dengan kecepatan putaran object. Kecepatan putar sering pula diukur dengan menggunakan sensor yang mengindera pulsa magnetis (induksi) yang timbul saat medan magnetis terjadi. Lalu tegangan ini di kirim ke ECM.
34
Sensor kecepatan pada kendaraan : -
Sensor posisi camshaft (juga disebut G sensor) Dengan mengetahui posisi camshaft, ECM dapat menentukan kapan silinder no.1 berada di langkah kompresi. ECM menggunakan informasi ini untuktimming bahan bakar injeksi, untuk sistem pengapian dan untuk sistem variabel valve timing. Sinyal AC yang dihasilkan berbanding lurus dengan kecepatan camshaft, camshaft berputar lebih cepat makafrekuensi juga meningkat.”semakin cepat rotor rotor bergerak/berputar maka semakin cepat pulsa yang dihasilkan”
-
Sensor posisi poros engkol (juga disebut TL sensor)
-
Sensor kecepatan kendaraan Jenis sensor ini terdiri dari magnet permanen, kuk dan koil. Sensor ini dipasang dekat dengan gigi bergigi. Setiap gigi bergerak pulsa tegangan AC diinduksi di koil. Dimana apabila gigi berputar lebih cepat, maka pulsa yang dihasilkan lebih banyak. ECM menentukan kecepatan komponen yang berputar berdasarkan jumlah pulsa.
35
1
Tacho Generator Tacho generator merupakan sensor yang sering digunakan untuk kecepatan angular. Tacho generator adalah sebuah generator kecil yang membangkitkan tgangan DC yang langsung dapat menghasilkan informasi kecepatan ataupun tegangan AC. Dari segi eksitasi tacho generator dapat dibangkitkan dengan eksitasi dari luar atau imbas elektromagnetik dari magnet permanen. Tacho generator DC : Kelebihan tacho generator dimana sensitivitas tacho generator DC cukup baik terutama pada kecepatan tinggi, memiliki kutub-kutub magnit yang banyak sehigga dapat menghasilkan tegangan DC dengan riak gelombang yang berfrekuensi tinggi sehingga mudah diratakan dan diperolehnya informasi arah putaran. Kekurangan dari tacho generator DC adalah sikat komutator mudah habis, jika digunakan pada daerah bertemperatur tinggi, maka magnet permanen mengalami
36
kelelahan sehingga tacho generator sering di kalibrasi dan tacho generator sangat peka terhadap debu dan korosi
Tacho generator AC : Tacho generator AC berupa generator singkron, magnet permanent diletakkan dibagian tengah yang berfungsi sebagai rotor. Sedangkan statornya berbentuk kumparan besi lunak. Ketika rotor berputar dihasilkan tegangan induksi di bagian statornya. Tipe lain dari tacho generator AC adalah tipe induksi, rotor dibuat bergerigi, stator berupa gulungan kawat berinti besi. Medan magnet permanent dipasang bersamaan di stator. Ketika rotor berputar, terjadi perubahan medan magnet
pada
gigi
yang
kemudian
mengimbas
ke
gulungan
stator.
Kelebihan utama dari tacho generator AC adalah relatif tahan terhadap korosi dan debu dan adapun kelemahannya adalah tidak memberikan informasi arah gerak.
37
Aplikasi Speed sensor pada anti-lock break system (ABS) berfungsi untuk memperoleh informasi tentang kecepatan masing-masing roda, informasi ini diperlukan agar sistem dapat mengetahui roda mana yang sedang akan terkunci. Speed sensor ini dapat terpasang terpasang pada setiap roda, atau ada juga yang dipasang pada diferensial.masing-masing roda agar menghindari roda terkunci.
c
Sensor Tekanan (Pressure Sensor) Sensor Tekanan adalah sensor untuk mengukur tekanan suatu zat. Tekanan (p) adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A). Satuan tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume (isi) dan suhu. Semakin tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan isi yang sama, maka suhu akan semakin tinggi. Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi.
38
Prinsip kerja : Mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Ukuran tegangan didasarkan pada prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang. Cara Kerja : Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (center tap), dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang lain berkurang. Kemudian pengubah sinyal berfungsi untuk mengubah induktansi magnetik yang timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.
Pada grafik: semakin tinggi tekanan udara maka semakin tinggi pula tegangan keluar. Contohnya:
39
1. apabila tekanan udara 20 kpa maka tegangan keluarnya 1,2 volt. 2. apabila tekanan udara 60 kpa maka tegangan keluarnya 2,4 volt.
Prinsip fisis pengideraan yang di gunakan sebagai dasar kerja Sensor Tekanan : Pada saat udara masuk kedalam intake manifold pressure, maka silicon akan menekan ke atas, berbentuk setengah lingkaran dan menandakan tekanan tinggi. Dan setelah tekanan tidak ada, maka silicon akan kembali seperti semula datar dan tekanan yang terjadi lambat. Dari tekanan angin tersebut, akan diteruskan oleh sensor.
Jenis – jenis sensor tekanan : •
Bourdon Tubes Sejenis pipa pendek lengkung , dan salah satu ujungnya tertutup. Jika bourdon tubes diberikan tekanan maka ia akan cenderung untuk “menegang”. Perubahan yang dihasilkan sebanding dengan besarnya tekanan yang diberikan.
40
•
Bellows
•
Semiconductor Pressure Sensors
41
3.3
APLIKASI Sensor tekanan dapat diaplikasikan pada: — Motor bensin — Pesawat terbang — Pengukur tekanan ban — Pengukur tinggi suatu cairan — ketinggian, pesawat terbang, roket, satelit, balon udara dll
