sensor dan tranduser

19

BAB I

SENSOR

1.1. Pengertian

Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu yang digunakan

untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi

tegangan dan arus listrik. Sensor itu sendiri terdiri dari transduser dengan atau

tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera.

Contoh: Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran,

kulit sebagai sensor peraba, LDR (Light dependent resistance) sebagai sensor

cahaya, dan lainnya.

Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan

yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah

oleh kontroller sebagai otaknya.

1.2. Klasifikasi

a. Sensor thermal (panas)

Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala

perubahan panas/temperature/suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi

ruang tertentu.

Contohnya; bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo

dioda, photo multiplier, photovoltaik, I rared pyrometer, hygrometer.

Gambar 1.2.1. Contoh Sensor Thermal (panas)

Alat Ukur dan Pengukuran

19

b. Sensor mekanis

Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis,

seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar,

tekanan, aliran, level dsb.

Contoh; strain gage, linear variable deferential transformer (LVDT),

proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube.

Gambar 1.2.2. Contoh Sensor Mekanis

c. Sensor optik (cahaya)

Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya

dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai

benda atau ruangan.

Contoh; photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo

multiplier, pyrometer optic.

Gambar 1.2.3. Contoh sensor optik (cahaya)


19

1.3. Jenis

a. Sensor Kedekatan (Proximity), yaitu sensor atau saklar yang dapat

mendeteksi adanya target (jenis logam) dengan tanpa adanya kontak fisik.

Sensor jenis ini biasanya tediri dari alat elektronis solid-state yang

terbungkus rapat untuk melindunginya dari pengaruh getaran, cairan,

kimiawi, dan korosif yang berlebihan. Sensor ini dapat diaplikasikan pada

kondisi penginderaan pada objek yang dianggap terlalu kecil/lunak untuk

menggerakkan suatu mekanis saklar. Prinsip kerjanya adalah dengan

memperhatikan perubahan amplitudo suatu lingkungan medan frekuensi

tinggi.

2. Sensor Magnet juga disebut relai buluh, adalah alat yang akan terpengaruh

medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluaran.

Seperti layaknya saklar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya

medan magnet di sekitarnya. Biasanya sensor ini dikemas dalam bentuk

kemasan yang hampa dan bebas dari debu, kelembapan, asap ataupun uap.

3. Sensor Sinar terdiri dari 3 kategori:

a. Fotovoltaic atau sel solar adalah alat sensor sinar yang mengubah energi

sinar langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya

akan menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan.

b. Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan

(resistansi) pada sel-selnya, semakin tinggin intensitas cahaya yang

terima, maka akan semakin kecil pula nilai tahanannya.

c. Fotolistrik adalah sensor yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan

karena perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser)

ataupun target pemantulnya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya

dan penerima.

4. Sensor Efek-Hall dirancang untuk merasakan adanya objek magnetis

dengan perubahan posisinya. Perubahan medan magnet yang terus menerus

menyebabkan timbulnya pulsa yang kemudian dapat ditentukan

frekuensinya, sensor jenis ini biasa digunakan sebagai pengukur kecepatan.


19

5. Sensor Ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara,

dimana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang kemudian

menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar

penginderaannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan

dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding

lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek

yang dapat diindera diantaranya adalah: objek padat, cair, butiran maupun

tekstil.

6. Sensor Tekanan sensor ini memiliki transduser yang mengukur ketegangan

kawat, dimana mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dasar

penginderaannya pada perubahan tahanan pengantar (transduser) yang

berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya.

7. Sensor Suhu ada 4 jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan;

thermocouple (T/C), resistance temperature detector (RTD), termistor dan

IC sensor.

a. Thermocouple pada pokoknya terdiri dari sepasang transduser panas dan

dingin yang disambungkan/dilebur bersama, perbedaan yang timbul

antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi

sebagai pembanding.

b. Resistance Temperature Detector (RTD) didasari pada tahanan listrik

dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan

variasi ini adalah presisi dengan tingkat konsisten/kestabilan yang tinggi

pada pendeteksian tahanan. Platina adalah bahan yang sering digunakan

karena memiliki tahanan suhu, kelinearan, stabilitas dan

reproduksibilitas.

c. Termistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya

mempunyai koefisien suhu negatif, karena saat suhu meningkat maka

tahanan menurun atau sebaliknya. Jenis ini sangat peka dengan o

perubahan tahan 5% per C sehingga mampu mendeteksi perubahan suhu

yang kecil.


19

d. IC Sensor adalah sensor suhu dengan rangkaian terpadu yang

menggunakan chipsilikon untuk kelemahan penginderanya. Mempunyai

konfigurasi output tegangan dan arus yang sangat linear.

8. Sensor Kecepatan/RPM proses penginderaan 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.

9. Sensor Penyandi (Encoder) digunakan untuk mengubah gerakan linear atau

putaran menjadi sinyal digital, dimana sensor putaran memonitor gerakan

putar dari suatu alat. Sensor ini biasanya terdiri dari 2 lapis jenis penyandi,

yaitu; Pertama, Penyandi rotari tambahan (yang mentransmisikan jumlah

tertentu dari pulsa untuk masing-masing putaran) yang akan membangkitkan

gelombang kotak pada objek yang diputar. Kedua, Penyandi absolut (yang

memperlengkapi kode binary tertentu untuk masing-masing posisi sudut)

mempunyai cara kerja sang sama dengan perkecualian, lebih banyak atau

lebih rapat pulsa gelombang kotak yang dihasilkan sehingga membentuk

suatu pengkodean dalam susunan tertentu.


19

BAB II

Tranduser

2.1. Pengertian

Transduser adalah alat yang mengubah suatu energi dari satu bentuk ke

bentuk lain, yang merupakan elemen penting dalam sistem pengendali. Secara

umum transduser dibedakan atas dua prinsip kerja yaitu: pertama, Transduser

Input dapat dikatakan bahwa transduser ini akan mengubah energi non-listrik

menjadi energi listrik. Kedua, Transduser Output adalah kebalikannya, mengubah

energi listrik ke bentuk energi non-listrik.

2.2. Klasifikasi

1. Self generating transduser (transduser pembangkit sendiri)

Self generating transduser adalah transduser yang hanya memerlukan satu

sumber energi. Contohnya piezo electric, termocouple, photovoltatic,

termistor, dsb. Ciri transduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik

dari transduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai

sumber tegangan.

Gambar 2.2.1. Contoh tranduser pembangkit sendiri


19

2. External power transduser (transduser daya dari luar)

External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah

energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran. Contohnya RTD

(resistance thermal detector), Strain gauge, LVDT (linier variable

differential transformer), Potensiometer, NTC, dsb.

Gambar 2.2.1. Contoh daya dari luar

2.3. Tabel Pengelompokan Tranduser

a. Transduser Pasif (daya dari luar)


19

b. Tranduser Aktif (tanpa daya luar)


19

BAB III

Peryaratan Umum Sensor dan Transduser

3.1. Linearitas

Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara

kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan berubah secara kontinyu. Sebagai

contoh, sebuah sensor panas yang dirasakannya,. Dalam kasus seperti ini,

biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran

dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah grafik. Gambar 1.1

memperlihatkan hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. Garis lurus

pada gambar 1.1 (a) memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada gambar 1.1

(b) adalah tanggapan non-linear.

3.2. Sensitivitas

Sensitivitas akan menunjukkan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap

kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang

menunjukkan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”.

Beberapa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan “satu

volt per derajat”., yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan

menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor panasa lainnya dapat

saja memiliki kepekaan “dua volt per derajat”, yang berarti memliki kepekaan dua


Gambar 3.1.1 Keluaran dari tranduser panas

19

kali dari sensor yang pertama. Linieritas sensor juga mempengaruhi sensitivitas

dari sensor. Apabila tanggapannya linier, maka sensitivitasnya jugan akan sama

untuk jangkauan pengukuran keseluruhan. Sensor denngan tanggapan pada

gambar 1.1 (b) akan lebih peka pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur

yang rendah.

3.3. Tanggapan Waktu

Tanggapan waktu pada sensor menunjukkan seberapa cepat tanggapannya

terhadap perubahan masukan . Sebagai contoh, instrumen dengan tanggapan

frekuensi yang buruk adalah sebuah termometer merkuri. Masukannya adalah

temperatur dan keluarannya adalah posisi merkuri. Misalkan perubahan

temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu terhadap waktu, seperti

tampak pada gambar 1.2 (a)


Gambar 3.3.1 Temperatur perubahan pada saat kontinyu

19

BAB IV

SENSOR CAHAYA

4.1. Pengertian

Elemen-elemen sensitive cahaya merupakan alat terandalkan untuk

mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap

semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra

merah. Energi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan

secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik

kompensasi.

Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki

spectrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum

mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan

spektrum optis dan energi dapat dilihat pada formula dan Gambar berikut. Energi

photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah:

Dimana :

Wp = energi photon (eV)

h = konstanta Planck’s (6,63 x 10-34 J-s)

c = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 108 m/s)

λ = panjang gelombang (m)

f = frekuensi (Hz)

Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain matahari adalah

antara lain:

a. Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran

filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu

flashlight.

b. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke level

energi berikutnya.


19

c. Fluorescense yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan

fluorescence yang terkena cahaya tajam, seperti layar osciloskop.

d. Sinar Laser adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai

cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya tunggal atau

membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke

beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians).

4.2. Jenis-Jenis Sensor Cahaya

Banyak peralatan sistem kendali menggunakan sensor cahaya, oleh karena

sensor ini bayak jenisnya. Baik berdasarkan prinsip kerja maupun ukuran sensor

ini terdiri dari berbagai jenis, diantaranya adalah :

1. Dioda foto

2. Transistor foto

3. Tabung cahaya berisi gas

4. Pemfotodaraf

5. Fotosel

4.2.1. Dioda

Dioda foto memanfaatkan sifat-sifat sel emisi cahaya atau tabung cahaya.

Tabung cahaya merupakan sebuah alat pemancar energi yang mengontrol

pancaran elektronnya bila dihadapkan ke cahaya yang datang. Kontruksi sebuah

dioda foto diperlihatkan pada Gambar 4.2.1 (a) dan simbolnya dalam diagram

skema pada Gambar 4.2.1 (b).

Gambar 4.2.1.1 Dioda foto


19

4.2.2. Transistor Foto

Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai

sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto

dengan transistor foto dalam satu rangkaian seperti terlihat pada Gambar 4.2.2.1.

Gambar 4.2.2.1 Rangkaian Uji Transistor Foto

Adapun perbedaan karateristik antara dioda foto dan transistor foto adalah sebagai

berikut:

• Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan intensitas foto

dapat dilihat pada Gambar 4.2.2.2.

• Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip

• Transistor sebagai penguat arus

• Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto


19

4.2.2.2 Gambar Karakteristik Transistor Foto

4.2.3.Tabung Cahaya Berisi Gas

Tabung cahaya berisi gas memiliki kontruksi umum yang sama seperti

tabung cahaya vakum, kecuali bahwa penutup berisi gas lamban (biasanya

argon) pada suatu tekanan yang sangat rendah. Elektron dipancarkan dari katoda

melalui kekuatan photoelectric dan mempercepatnya melalui gas dengan

memberikan tegangan pada anoda. Jika energi elektron melebihi potensial

ionisasi gas (15, 7 V untuk argon), tumbukan sebuah elektron dan molekul gas

dapat menyebabkan ionisasi, yakni pembentukan sebuah ion positif dan sebuah

elektron sekunder.

Jika selanjutnya tegangan diperbesar melebihi potensial ionisasi, arus yang

dikumpulkan oleh anoda bertambah karena jumlah tumbukan antara elektron

cahaya (photo-elektron) dan molekul gas lebih banyak. Jika tegangan anoda

dinaikkan ke suatu nilai yang sangat tinggi, arus menjadi tidak terkontrol; maka

semua molekul gas terionisasi dan tabung memiliki suatu lucutan kilap (glow

discharge). Keadaan ini harus dicegah karena dapat merusak tabung untuk

seterusnya. Karateristik khas anatara arus dan tegangan untuk berbagai level

cahaya diperlihatkan pada Gambar 4.2.3.1.


19

Gambar 4.2.3.1 Karakteristik Khas Antara Tegangan dan Arus pada Tabung Gas

4.2.4.Pemfotodarap (Photomultiplier)

Untuk mendeteksi level-level cahaya yang sangat rendah, dalam

kebanyakan pemakaian diperlukan penguatan khusus bagi arus cahaya.

Pemfotodarap atau alat menggandakan cahaya (photomultiplier), menggunakan

emisi sekunder untuk memberikan penguatan arus diatas faktor 106 dan berarti

menjadi sebuah detektor yang sangat bermanfaat bagi level cahaya yang rendah.

Dalam sebuah pemfotodarap, elektron yang dipancarkan oleh fotokatoda

diarahkan secara elektrostatik ke sebuah permukaan pancar sekunder yang

disebut dynoda. Jika pada dynoda ini diberikan tegangan kerja yang sesuai, tiga

sampai enam elektron sekunder dipancarkan untuk setiap elektron primer yang

menumbuk dynoda. Elektron sekunder ini difokuskan ke sebuah dynoda kedua

dimana proses berulang. Dengan demikian pancaran katoda semula digandakan

beberapa kali. Gambar 4.2.4.1 memperlihatkan sebuah pemfotodarap beserta

sepuluh dynoda. Dynoda terakhir (ke-10) disusul oleh anoda yang

mengumpulkan elektron dan dalam kebanyakan pemakaian bekerja sebagai

elektron keluaran sinyal.


19

Pemfotodarap linear pada Gambar 4.2.4.1 (juga dikenal sebagai tabung

Matheson) memiliki struktur sangkar pemusat (pemfokus) yang dirancang secara

khusus dengan permukaan efektif yang besar untuk pengumpulan elektron cahaya

pada dynoda pertama. Tabung Matheson ini menggunakan sebuah katoda

lengkung dan cincin-cincin annular untuk pemusatan elektron-elektron cahaya

secara elektrostatik. Kontruksi ini memperlihatkan pengumpulan foto-elektron

yang sangat efektif dan juga waktu peralihan yang sangat pendek (respons

frekuensi tinggi).

Gambar 4.2.4.1 Pola Kerja dari Pemfotodarap


19

Penguatan pemfotodarap bergantung pada jumlah dan sifat-sifat bahan

dynoda. Untuk sebuah tabung khas dengan sepuluh dynoda seperti diperlihatkan

pada Gambar 2.8, penguatan ini akan berada dalam orde 106 dengan pemberian

tegangan sebesar 100 V setiap tingkatan (dalam hal ini akan diperlukan sumber

tegangan 1000 V). Respons spektral dapat dikontrol oleh bahan katoda dan

dynoda. Keluaran pemfotodarap adalah linear, serupa dengan keluaran tabung

cahaya vakum.

Medan-medan magnetik mempengaruhi penguatan pemfotodarap sebab

sebagian elektron mungkin dibelokan dari lintasan normalnya diantara

tingkatan-tingkatan, dan dengan demikian tidak pernah mencapai sebuah dynoda

atau akhirnya anoda. Dalam pemakaian alat cacah kelipatan efek ini bisa

mengganggu, dan untuk ini pelindung magnetik logam-mu sering dipasang

sekeliling pemfotodarap.

4.2.5.Fotosel

Fotosel adalah elemen-elemen yang daya hantarnya merupakan fungsi dari

radiasi elektromagnetik yang masuk. Banyak bahan bersifat fotokonduktif sampai

tingkat tertentu, akan tetapi yang terpenting secara komersial adalah kadmium-

sulfida, germanium dan silikon. Respons spektral dari sel kadmium-sulfida hampir

sesuai dengan mata manusia, dan dengan demikian sel ini sering digunakan dalam

pemakaian dimana penglihatan manusia merupakan suatu faktor, seperti halnya

pengontrolan cahaya jalan atau pengontrol selaput pelangi otomatik pada alat-alat

kamera.

Elemen-elemen dasar dari sebuah fotosel adalah substrat keramik, lapisan

bahan konduktif, elektroda metalik untuk menghubungkan alat ke sebuah

rangkaian, dan sebuah penutup tahan uap air. Sebuah pandangan terpotong

lancip dari sebuah fotosel diperlihatkan pada Gambar 4.2.5.1.

Suatu pemakaian khas dari sebuah rangkaian praktis fotosel untuk

mengontrol on-off ditunjukkan pada gambar 4.2.5.2 Tahanan R2, R3, dan R4

dipilih sehingga catu emitter ke basis Q2 cukup positif untuk mengijinkan Q2

konduksi. Sebagai akibatnya, relay di dalam rangkaian kolektor Q2 akan

bekerja. Bila digunakan konfigurasi A sebagai rangkaian kontrol, relay bekerja

bila cahaya pada Fotosel berada dibawah suatu level yang telah ditentukan.


19

Gambar 4.2.5.1 Konstruksi Fotosel

Gambar 4.2.5.2 Rangkaian Fotosel untuk Mengontrol on-off


19

Bila fotosel diterangi, catu emitter ke basis dari Q1 menjadi cukup positif

untuk mengijinkan Q1 konduksi. Potensial kolektornya menjadi sangat kurang

positif, mengurangi catu pada Q2, dan Q2 terputus mematikan relay. Bila yang

digunakan adalah konfigurasi B, relay akan bekerja bila cahaya yang masuk

pada fotosel berada di atas suatu level telah ditentukan sebelumnya.

Fotosel semikonduktor digunakan dalam beberapa pemakaian. Karakteristik

volt-ampere dari sebuah bahan p-n bisa nampak berupa garis tebal pada Gambar

2.11, tetapi bila cahaya diberikan pada sel, kurva bergeser ke bawah seperti

diperlihatkan oleh garis patah.

Dalam pemakaian fotosel dicatu dalam arah balik. Bila sel tersebut disinari,

arus balik bertambah dan suatu tegangan keluaran dapat dibangkitkan melalui

sebuah tahanan keluaran. Selanjutnya tegangan keluran ini sebanding dengan

jumlah cahaya yang masuk. Orde khas besarnya pertambahan arus keluaran

adalah sekitar 0,7 μA untuk setiap pertambahan penerangan sebesar 1 fc (foot-

candle). Pertambahan arus cahaya ini adalah linear terhadap pertambahan

penerangan. Konstanta waktu fotosel dari bahan p-n yang relatif cepat, membuat

alat ini sangat bermanfaat untuk frekuensi eksitasi optik sekalipun di atas daerah

audio.


sensor dan tranduser

Documents