unit 17 penderia (sensor)
TRANSCRIPT
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 1
Objektif am :
Mengetahui dan memahami kegunaan perantipenderia yang berkaitan dengan cahaya, suhu, bunyi, tekanan dan kelembapan.
Objektif khusus :
Mentakrifkan penderia(sensor).
Menerangkan fungsi dan kendalian penderia dari jenis cahaya, suhu, bunyi, tekanan dan kelembapan.
Menerangkan contoh-contoh kegunaan serta aplikasi penderia di industri.
OBJEKTIF
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 2
17.0 PENGENALAN
Penderia merupakan alat yang menukarkan satu bentuk tenaga/isyarat kepadasatu bentuk tenaga/isyarat yang lain. Contohnya menukarkan dari tenaga/isyarattekanan kepada tenaga elektrik. Antara jenis-jenis penderia yang biasa digunakan terdiri dari jenis cahaya, suhu, tekanan dan bunyi.
Tekanan penderia elektrik
Tekanan piezoelektrik elektrik
Elektrik motor pusingan sudut
Terbahagi kepada dua jenis iaitu :
1. Penderia aktif - tidak memerlukan sumber tenaga dari luar untuk berkendali.
2. Penderia pasif - memerlukan sumber tenaga dari luar untuk berkendali.
17.1 Cahaya
INPUT
Tenaga cahaya
Tenaga elektrik
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 3
17.1.1 LDR (light diod resistor)
Satu elemen dimana kendaliannya bergantung kepada gelombang cahaya.LDR boleh dianggap sebagai perintang yang mana nilai rintangannya dikawal oleh keamatan cahaya. Bila keamatan cahaya tinggi rintangan adalah rendah. Bila keamatan cahaya rendah rintangan adalah tinggi.
Rajah 17.1 : Kegunaan LDR
Lampu boleh dipasang dan dipadam secara otomatik dengan menggunakan litar dari rajah 17.1.
Pada rajah 17.2, digunakan apabila rintangan gelap bagi LDR lebih tinggi dari R dan rintangan cerahnya lebih rendah dari R.
Pada waktu malam, rintangan LDR akan lebih tinggi dari R, voltan pada tapak (B) transistor menjadi positif. Seterusnya arus akan melalui ke pemungut (C) transistor dan ini akan membuat geganti tertutup seterusnya lampu terpasang.
Pada siang hari, rintangan LDR menjadi rendah, voltan yang dikenakan pada tapak(B) transistor menjadi negatif. Oleh itu tiada arus yang mengalir melalui pemungut (C) transistor maka geganti akan terbuka dan seterusnya lampu akan terpadam.
LD
R
-V
geganti+V
RC
BE
R
Cahaya
Rintangan gelap
Rintangan cerah
lampu
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 4
Rajah 17.2 : Ciri rintangan bagi LDR
17.1.2 Photo Transistor
Penderia jenis ini adalah lebih peka terhadap cahaya daripada jenis diod. Apabila ‘kaki tapak’ terkena pancaran cahaya, ianya akan menghasilkan pengaliran arus pada ‘kaki tapak’(Ib) dan mengalirkan arus pada ‘kaki pemungut’(Ic). Dari gambarajah 17.3, apabila persimpangan Je dikenakan pincang hadapan dan simpang Jc dikenakan pincang balikan arus (Ib) adalah kecil dan transistor tidak dapat berfungsi. Tetapi apabila cahaya mengenai transistor, khususnya pada simpang Jc, elektron akan dihasilkan dengan banyaknya. Bila ini berlaku Ic akan mengalir dengan nilai yang tinggi dan oenderia berfungsi. .Pertambahan Ic ini bergantung kepada keamatan cahaya.
+
-VCE
C
E
Jc
Je
+V
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 5
Rajah 17.3a Photo Transistor Rajah 17.3b Simbol Photo Transistor17.1.3 Photo Diod
Asasnya penderia Photo diod ialah sebuah diod seperti rajah 17.4a.Permukaan katodnya disaluti dengan bahan-bahan seperti ‘cesiumantimony’ atau ‘potasium oksida’ yang sangat peka kepada cahaya.
Apabila pancaran cahaya dikenakan ke atas permukaan katod, ianya akan mengeluarkan elektron dan mengalirkan arus. Arus yang mengalir ini boleh diukur dengan ammeter yang ditentukur dengan menggunakan unit ‘lumen’ iaitu unit untuk cahaya.
Jenis kaca pada tiub akan menentukan kepekaan penderia tersebut kepadapanjang gelombang cahaya. Pada amnya tiub kaca akan memotongsinaran pancaran dalam julat ultra-violet.
Berpandukan kepada lengkung cirri arus-voltan di rajah 17.4b, apabilavoltan yang mencukupi dipasang di antara anod dan katod, arus yang mengalir bergantung kepada jumlah cahaya yang dipancarkan.
Ciri arus-cahaya di rajah 17.4c menunjukkan gerakbalas yang linear(boleh ditentukur secara linear).
Rajah 17.4a : Simbol Photo diod
N
P
N
Pancaran
Pancaran
cahayaI
R
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 6
Rajah 17.3b : Ciri arus-voltan Photo Diod
Rajah 17.3c : Ciri-ciri arus-cahaya Photo Diod
17.2 Suhu
17.2.1 Penganding Suhu (Thermocouple)
Termokupel pada rajah 17.5a mempunyai satu pasang dawai yang berlainan. Pasangan dawai ini disambung pada satu hujung(cantuman panas) dan terbuka pada hujung yang satu lagi(cantuman sejuk). Hujung terbuka dikekalkan pada satu nilai suhu yang tetap. Apabila terdapat perbezaan suhu di antara cantuman sejuk dan panas, daya gerak elektrik (d.g.e) akan dihasilkan dan ini akan menyebabkan arus mengalir didalam litar. Apabila disambungkan satu meter pada cantuman sejuk yang terbuka itu, nilai arus yang mengalir dapat diukur. Arus adalah
Arus Anod ( A)
Lumen0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
Volt40 80 120 160
Arus Anod ( A)
Fluks cahaya (Lumen)
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 7
berkadar terus dengan perbezaan suhu di antara cantuman panas dan sejuk. Magnitud d.g.e yang dihasilkan bergantung kepada logam dawai dan juga perbezaan suhu di antara cantuman panas dan cantuman sejuk.
Kesan termo-elektrik yang disebabkan oleh keupayaan sesentuh pada cantuman dikenali sebagai ‘Kesan Seeback’.
Magnitud d.g.e yang dihasilkan bergantung kepada logam padwai dan juga pebezaan suhu di antara cantuman.
Rajah 17.5a : Termokupel
meterbahan G
Tiub T
Cantuman panas
Cantuman sejuk
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 8
Rajah 17.5b : Graf keluaran termokupel melawan suhu untuk beberapa jenis logam
Rajah 17.5c : Ciri rintangan suhu
Ker
inta
ngan
(
cm )
Suhu C
Vol
tan
kelu
aran
term
okum
el
Suhu x 102 C
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 9
17.2.2 RTD (Resistance Temperature Detector)(Pengesan Suhu Rintangan)
Contoh RTD yang biasa digunakan adalah Termistor (Thermal resistor). Termistor merupakan komponen separa pengalir yang boleh dianggapkan sebagai perintang yang mempunyai angkali suhu rintangan negatif. Ini bererti bahawa rintangannya akan berkurangan apabila suhunya bertambah.
Rintangan termistor pada suhu bilik boleh susut sebanyak 6% untuk satu darjah Centigrade kenaikan suhu. Kepekaan yang tinggi pada perubahan suhu ini membuat termistor sangat sesuai untuk ukuran suhu dengan tepat sekali dan juga sebagai alat kawalan dan pemanasan. Julat suhu kegunaannya ialah di antara –100C hingga 300C.
Termistor dibuat dari campuran bersinar logam oksida iaitu manganese, nikel, kobalt, tembaga, besi dan uranium.
Julat rintangan termistor adalah dari 0.5 ohm hingga 75 Mohm dan didapati dalam berbagai bentuk dan saiz.
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 10
Uji Kefahaman anda sebelum meneruskan input selanjutnya . Sila semak jawapan anda pada maklumbalas di halaman berikutnya.
17.1 Nyatakan takrifan bagi penderia dan berikan dua contoh penderia yang selalu digunakan.
17.2 Dengan bantuan gambarajah litar, terangkan penggunaan penderia jenis cahaya iaitu LDR.
17.3 Jelaskan binaan bagi sebuah Termokupel.
17.4 Terangkan kesan termo elektrik(seeback) didalam penderia Termokupel.
AKTIVITI 17a
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 11
17.3 Bunyi
17.3.1 Ultrasonik
Ultrasonik merupakan penderia yang digunakan untuk mengesan frekuensi bunyi. Ia menggunakan satu pemancar yang akan mengeluarkan satu gelombang bunyi yang telah disetkan pada satu julat tertentu. Pancaran gelombang tersebut akan di kesan oleh satu alat penerima yang mana akan berkeadaan positif sekiranya terdapat satu gangguan atau halangan bagi laluan gelombang yang sepatutnya diterima oleh alat penerima tersebut.
17.4 Tekanan
17.4.1 Strain Gauge (Tolok Terikan)
Strain Gauge tergolong dalam penderia pasif di mana rintangan Strain Gauge akan berubah apabila daya mekanikal dikenakan ke atasnya. Ianya terbahagi kepada dua jenis iaitu: i. Jenis terikat (bounded)ii. Jenis tidak terikat (unbounded)
Strain Gauge jenis terikat terdiri daripada satu kepingan logam nipis dan diperketatkan pada satu bahan penyokong seperti yang ditunjukkan dalam rajah 17..
Rajah 17.6a Strain Gauge jenis terikat
Logam nipis
INPUT
Bahan penyokong
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 12
Strain Gauge jenis tidak terikat terdiri daripada satu dawai halus yang dibentukkan pada penyokong-penyokongnya dan dikenali juga sebagai ‘Wire Strain Gauge’.
Rajah 17.6b : Wire Strain Gauge
17.4.1.1 Prinsip kendalian
Apanila Strain Gauge dikenakan tegasan dari luar, rintangan dawai akan berubah disebabkan olej perubahan panjang dawai akibat dari pemanjangan atau mampatan. Perubahan rintangan pada Strain Gauge adalah berkadaran dengan terikan pada bahan dan diukur dengan mengunakan litar Tetimbang Wheatstone.
17.4.1.2 Kepekaan suatu Strain Gauge diberi dalam sebutan Faktor Tolok iaitu nisbah perubahan rintangan per unit (R/R) dengan perubahan panjang per unit (l/l)
Di mana K = Faktor Tolok R = rintangan asal Strain Gauge R = perubahan rintangan Strain Gauge l = panjang bahan diukur l = perubahan panjang
17.4.2 Piezoelektrik
penyokong
Dawai halus
FAKTOR TOLOK, K = R / R l / l
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 13
Piezoelektrik merupakan bahan aktif yang berupaya mengeluarkan voltan dan arus sendiri apabila dirangsang oleh satu tenaga yang berbentuk fizikal. Bahan yang biasa digunakan didalam penderia ini ialah kuartza. Walaubagaimana pun ‘piezoelektrik synthetic’ yang mengandungi bahan titanate seramik adalah terdiri daripada serbuk-serbuk halus dibawah tekanan yang menjadikannya satu bahan yang mempunyai medan elektrik arus terus yang kuat.
Manakala piezoelektrik hablur digunakan sebagai satu cara untuk mengukur tenaga.
Rajah 17.6 Piezoelektrik
17.4.2.1 Prinsip Kendalian
Bahan binaan piezoelektrik terdiri daripada bahan yang menghasilkan cas-cas elektrikapabil terkena daya atau tekanan. Beban hablur atau kristal akan mengeluarkan daya gerak elektrik. Kristal ini akan diapit di antara tapak dan plet yang mengalami
sejumlah daya bila tekanan dari bahagian atas kristal dan ianya akan tertekan dan mengeluarkan
daya gerak elektrik pada punca keluaran 1 dan 2. Pengeluaran daya gerak elektrik pada punca Keluaran 1 dan 2 adalah berkadar terus dengan kekuatan tekanan.
17.4.2.2 Kegunaan
tapak
Plet daya(diafram)
Tekanan masukan
keluaran
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 14
Piezoektrik digunakan untuk mengukur perubahan tekanan, getaran dan bunyi. Juga sebagai meter pecutan frekuensi tinggi kerana ia mempunyai tindakbalas frekuensi yang baik. Biasanya ia digunakan didalam system penguat.
17.5 Kelembapan
17.5.1 Humidity Sensor / Penderia Kelembapan
Humidity sensor atau penderia kelembapan terbentuk daripada lapisan polimer thermoset, elektrod platinum serta cip silicon voltan bersepadu untuk keluaran isyarat seperti yang ditunjukkan dalam rajah 17.7.
17.5.1.1 Cara Beroperasi
Kandungan air pada lapisan dielektrik akan bertindak balas dengan gas di sekelilingnya. Bagi penderia, lapisan platinum poros akan mengenalpasti tindak balas luar dielektrik manakala lapisan polimer akan menyediakan pertahanan nekanikal untuk lapisan platinum daripada habuk, kekotoran serta minyak.
Sekiranya lapisan kekotoran terlalu tebal, maka ini akan menyebabkan masa bertindak balas bagi deria akan menjadi semakin perlahan kerana kelembapan air akan lambat bertindak balas dengan penderia.
Rajah 17.7 Penderia Kelembapan
Habuk, kotoran & minyak tidak akan memeberi kesan kepada sensor
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 15
Uji Kefahaman anda sebelum meneruskan input selanjutnya . Sila semak jawapan anda pada maklumbalas di halaman berikutnya.
17.1 Nyatakan dua jenis penderia tekanan (Strain Gauge) dan lukiskan gambarajahnya.
17.2 Berikan takrifan Faktor Tolok.
17.3 Dengan bantuan gambarajah, terangkan kendalian bagi Piezoelektrik.
17.1 Rujuk input 17.0
17.2 Rujuk input 17.1.1 dan input rajah 17.1a
17.3 Rujuk input 17.2.1 dan input rajah 17.4a
17.4 Rujuk input 17.2.1
AKTIVITI 17b
MAKLUM BALAS 17a
MAKLUM BALAS 17b
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 16
17.1 Rujuk input 17.4.1
17.2 Rujuk input 17.4.1.2
17.3 Rujuk input 17.4.2.1 dan input rajah 17.6.
Anda telah menghampiri kejayaan. Sila cuba semua soalan dalam penilaian kendiri ini dan semak jawapan anda pada maklumbalas yang telah disediakan.
17.1 Berikan keterangan ringkas mengenai ‘penderia kelembapan ‘
seperti yang terdapat dalam unit ini.
17.2 Apakah dia ‘penderia ultrasonik’ . Terangkan.
PENILAIAN KENDIRI
SELAMAT MENCUBA
MAKLUM BALAS PENILAIAN KENDIRI
PENDERIA(SENSOR) E3042 / UNIT 17 / 17
17.1 Rujuk input 17.5
17.2 Rujuk input 17.3