MAKALAH SENSOR β WIRE AND FOIL TYPE OF STRAIN GAUGE β
Disusun Oleh : Devara Ega Fausta (M0212025)
Makalah ini disusun sebagai salah satu tugas dalam Mata Kuliah Pilihan Sensor
Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta Oktober 2015
1. Material yang digunakan sebagai Strain Gauge Strain gauge adalah sebuah elemen logam atau semikonduktor yang resistansinya mengalami perubahan ketika dibawah suatu tekanan (Bentley, 2005). Sebuah strain gauge terdiri dari tiga bagian inti, yakni: kawat, alas, dan perekat. Karena semua material resistan terhadap deformasi, beberapa gaya harus diaplikasikan untuk menyebabkan terjadinya deformasi. Kemudian, resistansi dapat dihubungkan terhadap gaya yang diberikan. Hubungan tersebut secara umum dinamakan sebagai efek peizoresistivitas dan dapat dinayatakan lewat faktor gauge (Se) dari konduktor pada persamaan (1) sebagai berikut: ππ
π
= ππ π . . . (1)
Kebanyakan material mempunyai nilai Se ο» 2, kecuali platina yang mempunyai nilai Se ο» 6. Tabel 1 berikut menunjukkan beberapa contoh bahan yang digunakan sebagai bahan dari strain gauge (Fraden, 2004) Tabel 1. Karakteristik beberapa resitansi dari strain gauge
Material
Se
Resistansi (ο)
57% Cu β 47% Ni
2,0
100
Campuran Platina
4,0 β 6,0
50
Silika
-100 hingga 150
200
Hubungan dari perubahan hambatan dan tegangan dalam sebuah kawat yang digunakan dalam dalam konstruksi strain gauge dapat dinyatakan dengan persamaan (2) sebagai berikut: ΞπΏ 1 Ξπ
= L πΎ π
πΎ=
Ξπ
β π
ΞπΏβ πΏ
. . . (2)
Dimana K didefinisikan sebagai faktor gauge dari kertas timah atau kawat, οR merupakan perubahan resistansi karena adanya tegangan, R merupakan
resistansi awal, οL merupakan perubahan panjang, L merupakan panjang awal dari kertas timah atau kawat, dan οL/L merupakan satuan tekan yang mana kawat atau kertas timah menjadi subjeknya. Tidak semua material atau bahan menunjukkan efek dari sensitivitas tekanan, dan material berbeda mempunyai faktor gauge yang berbeda. Material filamen yang biasa digunakan sebagai bahan untuk strain gauge adalah konstantan (Ni 0,45; Cu 0,55), yang mempunyai faktor gauge mendekati +2,0; Isoelastik (Ni 0,36 ; Cu 0,08 ; Fe 0,52 ; dan Mo 0,005), yang mempunyai faktor gauge berkisar +3,5, dan modfikasi karma (Ni 0,75; dan Cr 0,20) yang mempunyai faktor gauge +2,1. Kebanyakan strain gauge menggunakan bahan kertas timah, yang dapat ditunjukkan pada gambar.1 sebagai berikut:
Gambar 1. Desain dari Strain Gauge (Wilson, 1976) Walaupun kawat yang baik pada strain gauge digunakan untuk tujuan tertentu seperti penggunaan pada suhu tinggi. Strain Gauge yang berbahan dari kertas timah biasanya dibuat dengan proses penyetakan jaringan. Semenjak kertas timah digunakan sebagai strain gauge dan sangat baik atau tipis untuk mempunyai penerimaan untuk hambatan listrik tinggi ( biasanya diantara 60 hingga 350 ο), yang susah untuk ditangani. Biasanya kawat timah yang digunakan mempunyai ukuran sekitar 0,1 mili tebalnya. Beberapa penggunaan dibuat dari kawat filamen dalam strain gauge, tapi jenis ini jarang digunakan kecuali dalam penggunaan khusus atau penggunaan pada
suhu tinggi. Dalam fungsinya untuk mempergunakan kertas timah, harus disediakan sebuah medium pembawa atau material backing. Biasanya digunakan potongan kertas, plastik, atau ekpoksi. Material backing mempunyai fungsi yang sangat penting dalam penamabahan untuk menyediakan kemudahan dari penggunaan dan penyederhaan aplikasinya. Kawat penghubung atau terminal penyambung biasa digunakan pada strain gauge tipe kertas timah seperti yang telah ditunjukkan pada gambar 1 diatas (Wilson, 1976) Jumlah dari strain gauge yang diaplikasikan pada suhu tinggi menggunakan platina golongan logam telah dikembangkan. Platina, gologan logam yang digunakan dalam strain gauge mempunyai komposisi dalam persen berat: platina (8,5~9,5) tungsten (Pt-(8,5~9,5)W) (1), platinum-8 nikel-2 tungsten (Pt-8Ni-2W), platinum-8 nikel-2 kromium (Pt-8 Ni -2 Cr) (2), dan palladium -13 Krom (Pd-13 Cr) (3). Strain gauge yang tmengandung bahan bukan logam mulia adalah: Tembaga- Nikel (Cu-Ni), Nikel=Krom (Ni-Cr), dan Besi-Krom-Alumunium (FeCr-Al) (Jinxing Guo, 1997). 2. Prinsip Kerja Strain Gauge Prinsip dasar dari penggunaan hambatan listrik strain gauge merupakan fakta bahwa hambatan dari perubahan kawat sebagai fungsi tegangan, meningkat dengan tekanan dan menurun dengan adanya pemampatan. Perubahan dalam hambatannya diuur dengan menggunakan rangkaian jembatan Wheatstone. Strain gauge terikat pada spesimen dan kemudian pengukur (gauge) dikenanan pada tekanan yang sama sebagaimana spesimen yang sedang dalam pengujian (U.A.Bakshi, 2008). Perubahan hambatan yang terjadi pada strain gauge akan kecil, instrumentasi yang presisi diperlukan untuk mendeteksi perubahan tersebut dengan akurasi yang baik. Penggunaan jembatan Wheatstone merupakan konfigurasi yang umum digunakan untuk pengukuran strain gauge. Biasanya pada setiap lengan dari jembatan mengandung elemen pendeteksi tegangan yang sensitif. Jembatan akan seimbang ketika R1 R3 = R2 R4 , setelah kondisi seimbang perubahan pada tegangan outputnya dinyatakan dengan persamaan (3) sebagai berikut:
ΞV =
V 4π
π (ΞR1 +ΞR3 βΞR2 βΞR4 )
. . . (3)
Dari persamaan (3) diatas dapat dilihat bahwa dua elemen dari lengan yang berdekatan dari jembatan ( R1, R2 dan R3, R4), efek suhu akan diminimalkan karena pengaruhnya pada keluaran subtraktif. Rangkaian jembatan Wheatstone dapat mendeteksi tegangan statis maupun dinamis dan cocok untuk ganti rugi pada suhunya. Rangkaian jembatan Wheatstone tersebut dapat dilihat pada gambar 2. sebagai berikut (Liptak, 2003)
Gambar 2. Rangkaian Jembatan Wheatstone (Liptak, 2003) 3. Aplikasi Strain Gauge Secara umum, aplikasi dari strain gauge digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan tekanan pada suatu materi uji. Strain gauge sering digunakan dalam penelitian teknik mesin dan pengembangan untuk mengukur tekananan yang dilakukan oleh mesin. Pengujian komponen pada pesawat merupakan salah satu area penggunaannya, berbagai komponen penting dari rangka pesawat menggunakan strain gauge untuk menguji ketahanannya terhadap tekanan (Carpenter, 2008). Aplikasi lain dari strain gauge juga dapat ditemukan dalam bidang biomedis. Beberapa contoh aplikasinya antara lain: dapat digunakan sebagai untuk mengukur kontraksi otot kardia secara kontinyu, dapat digunakan untuk mengukur tekanan darah untuk mengetahui abnormalitas dari kardiovaskular, untuk mengukur laju
pernapasan, dan juga secara luas dikembangkan untuk mendeteksi tekanan yang cocok dalam melakukan pemasangan anggota tubuh buatan (C. Raja Rao, 2000)
DAFTAR PUSTAKA Bentley, J. P. (2005). Principles of Measurement Systems Fourth Edition. Malaysia: Prentice Hall. C. Raja Rao, S. K. (2000). Principles of Medical Electronics and Biomedical Instrumentation. India: Universities Press. Carpenter, R. D. (2008). Fundamentals of Instrumentation Course. United State: Integrity Institute of Technology. Fraden, J. (2004). Handbook of Modern Sensors Physics Design and Application Third Edition. New York: Springer. Jinxing Guo, L. T. (1997). Platinum Alloy Strain Gauge Materials Noble Metals Alloys for Static Strain Measurement at 900 C. Platinum Metals Rev, 2432. Liptak, B. G. (2003). Instrument Engineers' Handbook, Fourth Edition, Volume One: Process Measurement and Analysis. United States: CRC Press. U.A.Bakshi, A. a. (2008). Electronic Measurements & Instrumentation. India: Technical Publication Pune. Wilson, E. J. (1976). Transducer and Turbine Applications of Strain Gages. Colorado: Society for Experimental Stress Analysis.
