Sensor

Diposting oleh Unknown |

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kehadirat Allah SWT yang masih memberikan nafas kehidupan sehingga penulis dapat menyelesaikan pembuatan makalah ini dengan judul “Sensor”.

Makalah ini dibuat untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Elektronika Industri di Semester III. Makalah ini membahas tentang Definisi, Klasifikasi, Jenis, dan Aplikasi Sensor.

Akhirnya, penulis ingin menyampaikan terima kasih atas perhatian pembaca terhadap makalah ini, penulis berharap semoga makalah ini bermanfaat bagi diri penulis sendiri dan khususnya pembaca pada umumnya.

“Tak ada gading yang tak retak, begitulah adanya makalah ini”

Dengan segala kerendahan hati, saran-saran dan kritik yang konstruktif sangat penulis harapkan dari para pembaca guna peningkatan pembuatan makalah pada tugas yang lain dan pada waktu mendatang.

Jakarta, Oktober 2013

Penulis

A. Definisi Sensor

Sensor adalah piranti yang mengubah suatu nilai (isyarat/energi) fisik ke nilai fisik yang lain menjadi satuan analog sehingga dapat dibaca oleh suatu rangkaian elektronik. Fenomena fisik yang mampu menstimulus sensor untuk menghasilkan sinyal elektrik meliputi temperatur, tekanan, gaya, medan magnet cahaya, pergerakan dan sebagainya.

Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu, yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yanag menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroler sebagai otaknya (Petruzella, 2001).

Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah tegangan fisika (misalnya: temperatur, cahaya, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik yang proposional. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan ini harus memnuhi persyaratan-persyaratan kualitas yakni :

1. Linieritas

Konversi harus benar-benar proposional, jadi karakteristik konversi harus linier.

2. Tidak tergantung temperatur

Keluaran inverter tidak boleh tergantung pada temperatur disekelilingnya, kecuali sensor suhu.

3. Kepekaan

Kepekaan sensor harus dipilih sedemikian, sehingga pada nilai-nilai masukan yang ada dapat diperoleh tegangan listrik keluaran yang cukup besar.

4. Waktu tanggapan

Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan keluaran sensor untuk mencapai nilai akhirnya pada nilai masukan yang berubah secara mendadak. Sensor harus dapat berubah cepat bila nilai masukan pada sistem tempat sensor tersebut berubah.

Ada 6 tipe isyarat sensor, yaitu:

1. Mechanical, contoh: panjang, luas, mass flow, gaya, torque, tekanan, kecepatan, percepatan, panjang gel acoustic, dll

2. Thermal, contoh: temperature, panas, entropy, heat flow

3. Electrical, contoh: tegangan, arus, muatan, resistance, frekuensi, dll

4. Magnetic, contoh: intensitas medan, flux density, dll

5. Radiant, contoh: intensitas, panjang gelombang, polarisasi, dll

6. Chemical, contoh: komposisi, konsentrasi, pH, kecepatan reaksi, dll

B. Klasifikasi Sensor

Terdapat beberapa tipe sensor yang berdasar pada :

1. Berdasarkan Keprluan Power Supply

Pasif, sensor yang tidak memerlukan power supply pada saat bekerja, outputnya muncul akibat adanya rangsangan atau dikatakan sensor pasif apabila energi yang dikeluarkannya diperoleh seluruhnya dari sinyal masukan. Contoh: Termokopel, piezoelectric, microphone.
Aktif, sensor yang memerlukan power supply dari luar agar sensor tersebut dapat berfungsi atau memiliki sumber energi tambahan yang digunakan untuk output sinyalnya, adapun sinyal input hanya memberikan kontribusi yang kecil terhadap daya keluaran.

2. Berdasarkan Sifat Dasar dari Sinyal Outputnya

Analog Sensor, sensor yang memberikan sinyal kontinyu dari besaran yang diukur. Semua besaran fisika pada dasarnya adalah analog.
Digital Sensor, sensor yang outputnya bersifat diskrit.

3. Berdasarkan fungsi dan penggunaannya

a. 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, fototransistor, fotodiode, fotomultiplier, fotovoltaic, infrared pyrometer, hygrometer, dsb.

b. 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, dsb.

c. Sensor optik atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Contoh; photo cell, fototransistor, fotodiode, fotovoltaic, fotomultiplier, pyrometer optic, dsb.

C. Jenis Sensor

Beberapa jenis sensor adalah:

1. Sensor Cahaya

Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk merubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Prinsip kerja dari alat ini adalah mengubah energi dari foton menjadi Elektron. Idealnya satu foton dapat membangkitkan satu elektron. Sensor cahaya sangat luas penggunaannya, salah satu yang paling terkenal adalah LDR (Light dependent resistor). Sensor cahaya terdiri dari 3 kategori, yaitu:

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. Semakin kuat sinar matahari tegangan dan arus listrik Dc yang dihasilkan semakin besar. Bahan pembuat solar cell adalah silicon, cadmium sullphide, gallium arsenide dan selenium.

Simbol sel solar adalah

Prinsip kerja: Bila cahaya jatuh pada sel solar, depletion layer akan berkurang dan elektron berpindah melalui hubungan “pn”. Besarnya arus yang mengalir sebanding dengan perpindahan elektron yang ditentukan intensitas cahayanya.

Depletion layer adalah pertemuan antara substrat tipe P dan subtrat tipe N.

Aplikasi dari sensor ini adalah sebagai pusat pembangkit listrik dan transportasi

b. Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan (resistansi) pada sel-selnya, semakin tinggi intensitas cahaya yang terima, maka akan semakin kecil pula nilai tahanannya.

Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi perubahan konduktivitas. Kebanyakan komponen ini erbuat dari bahan cadmium selenoide atau cadmium sulfide. Beberapa tipe fotokonduktif adalah:

1) LDR (Light Dependent Resistor)

Berfungsi untuk mengubah itensitas cahaya menjadi hambatan listrik. Semakin banyak cahaya yang mengenai permukaan LDR hambatan listrik semakin besar.

Simbol LDR :

Aplikasi dari sensor ini adalah umumnya LDR digabungkan dengan beberapa transistor untuk membentuk rangkaian lampu otomatis atau rangkaian lainnya. Kelebihan dari LDR ini adalah tidak menggunakan kode khusus untuk membaca nilai resistansi.

2) Fotodiode

Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi konduktivitas dioda. Fotodiode sejenis dengan dioda pada umummya, perbedaannya pada fotodiode ini adalah dipasangnya sebuah lensa pemfokus sinar untuk memfokuskan sinar jatuh pada pertemuan ”pn”.

Simbol Fotodiode :

Prinsip kerja : Energi pancaran cahaya yang jatuh pada pertemuan “pn” menyebabkan sebuah elektron berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron berpindah ke luar dari valensi band meninggalkan hole sehingga membangkitkan pasangan elektron bebas dan hole.

Aplikasi dari sensor ini adalah digunakan sebagai penghitung otomatis jumlah kendaraan yang lewat jalur tol, pengukur intensitas cahaya pada kamera digital, dan digunakan sebagai komponen sensor cahaya pada peralatan medis.

3) Fototransistor

Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi konduktivitas transistor. Fototransistor sejenis dengan transistor pada umummya. Bedaannya, pada fototransistor dipasang sebuah lensa pemfokus sinar pada kaki basis untuk memfokuskan sinar jatuh pada pertemuan ”pn”.

Simbol Fototransistor :

Fototransistor mempunyai kemampuan kepekaan yang lebih baik dibanding dengan fotodiode, ini disebabkan oleh elektron yang dihasilkan oleh foton cahaya pada kaki junction diinjeksikan dibagian base transistor tersebut, kemudian diperkuat di kaki kolektornya.

2. Sensor Suara

Sensor suara bekerja berdasarkan besar/kecilnya kekuatan gelombang suara yang mengenai membran sensor yang menyebabkan bergeraknya membran sensor yang juga terdapat sebuah kumparan kecil dibalik membran tadi naik dan turun. Oleh karena kumparan tersebut sebenarnya adalah ibarat sebuah pisau berlubang-lubang, maka pada saat ia bergerak naik turun, ia juga telah membuat gelombang magnet yang mengalir melewatiya terpotong-potong. Kecepatan gerak kumparan menentukan kuat-lemahnya gelombang listrik yg dihasilkannya. Sebuah sensor untuk mendeteksi suara, secara umum, yang disebut mikrofon.

Sensor suara adalah sensor yang cara kerjanya yaitu merubah besaran suara menjadi besaran listrik. Sinyal yang masuk akan di olah sehingga akan menghasilkan satu kondisi yaitu kondisi 1 atau 0. Sensor suara banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Contoh aplikasi sensor ini adalah yang bekerja pada system robot. Suara yang diterima oleh microfon akan di transfer ke pre amp mic, fungsi pre amp mic ini adalah untuk memperkuat sinyal suara yang masuk kedalam komponen.

Setelah sinyal suara diterima oleh preamp mic, kemudian di kirim lagi ke rangkaian pengkonfersi yang mana rangkaian ini berfungsi untuk merubah sinyal suara yang berbentuk sinyal digital menjadi sinya analog agar bisa dibaca oleh mikrokontroler.

Kesensitifan sensor suara dapat diatur, semakin banyak kondensator yang digunakan pada pre amp maka akan semakin baik daya sensitive dari sensor suara tersebut. Begitu juga pada saat penggunaan suara harus dalam kondisi tertentu, karena jika terdapat suara lain yang masuk maka akan tidak dikenali oleh sensor, begitu pula frekuensi yang digunakan harus sesuai pada saat kita menginput suara awal dan input suara pada saat menjalankan program.

3. Sensor Tekanan

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.

Akan tetapi pernyataan ini tidak selamanya benar atau terkecuali untuk uap air, uap air jika tekanan ditingkatkan maka akan terjadi perubahan dari gas kembali menjadi cair. (dikutip dari wikipedia : kondensasi). Rumus dari tekanan dapat juga digunakan untuk menerangkan mengapa pisau yang diasah dan permukaannya menipis menjadi tajam. Semakin kecil luas permukaan, dengan gaya yang sama akan dapatkan tekanan yang lebih tinggi.

Prinsip kerja dari sensor tekanan ini adalah mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Kurang ketegangan didasarkan pada prinsip bahwa tahanan pengantar berubah dengan panjang dan luas penampang. 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.

Faktor lingkungan yang mempengaruhi kinerja sensor:

a. Keadaan cuaca yang tidak menentu

b. Keadaan Suhu pada suatu lingkungan

c. Tekanan sekitar sensor

d. Umur dari komponen sensor tersebut

Aplikasi sensor tekanan adalah:

a. Motor bensin

b. Pesawat terbang

c. Pengukur tekanan ban

d. ketinggian, pesawat terbang, roket, satelit, balon udara dll

4. Sensor Proximity

Sensor proximity adalah sensor untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu obyek. Dalam dunia robotika, sensor proximity seringkali digunakan untuk mendeteksi ada atau tidaknya suatu garis pembimbing gerak robot atau lebih dikenal dengan istilah “Line Follower Robot “ atau “ Line Tracer Robot”, juga biasa digunakan untuk mendeteksi penghalang berupa dinding atau penghalang lain pada Robot Avoider. Jenis-jenis sensor garis yaitu:

a. Kombinasi IR LED dan Photodiode atau Phototransistor

b. Kombinasi LED superbright dan LDR

c. Optosensor: Photoreflektif sensor

d. Kamera

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 :

Sifat dari photodioda adalah jika semakin banyak cahaya yang diterima, maka nilai resistansi diodanya 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.

Aplikasi dari sensor ini adalah biasanya dipakai pada belt conveyor yang dipasang di bagian tail pulley untuk safety device dan dapat diaplikasikan pada kondisi penginderaan pada objek yang dianggap terlalu kecil atau lunak untuk menggerakkan suatu mekanis saklar.

5. Sensor Penyandi

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;

a. Penyandi rotari tambahan (yang mentransmisikan jumlah tertentu dari pulsa untuk masing-masing putaran) yang akan membangkitkan gelombang kotak pada objek yang diputar.

b. 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

Prinsip Kerja dari sensor ini adalah saat rangkaian sumber cahaya diberi VCC 5 Volt dan menghasilkan cahaya, cahaya masuk pada photodioda tidak terhalangi maka akan menghasilkan tegangan 5V dan begitu juga sebaliknya saat terhalangi maka akan menghasilkan tegangan 0V. Dimana tegangan menjadi inputan untuk mikrokontroler.

Berikut ini adalah gambar Rangkaian sensor yang digunakan :

Pada gambar di samping Led Inframerah kita gunakan untuk menembakkan cahaya sedangkan disisi kanan light receive dapat kita gunakan sensor cahaya seperti fotodiode atau fototransistor.

Salah satu aplikasi rotary encoder sebagai sensor posisi digunakan pada Mouse Analog (Mouse yang menggunakan Bola). Bisa dibuka akan terlihat kurang lebih Tiga buah Rangkaian Sensor Posisi menggunakan Rotary Encoder.

6. Sensor Ultrasonik

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.

Aplikasi dari sensor ini adalah dapat digunakan untuk mengukur kedalaman laut dan kedalaman keretakan pada suatu material

7. Sensor Kecepatan (RPM)

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. Kecepatan adalah jarak yang ditempuh oleh suatu benda dalam suatu waktu. Kecepatan yang biasa diukur dalam satuan kecepatan yaitu:

a. Meter per detik dengan simbol m/detik

b. Kilometer per jam dengan simbol km/jam atau kph

c. Mil per jam dengan simbol mil/jam atau mph

d. Knot merupakan singkatan dari nautical mile per jam

e. Mach yang diambil dari kecepatan suara. Mach 1 adalah kecepatan suara.

f. Kecepatan cahaya atau disebut juga sebagai konstanta cahaya dinyatakan dengan simbol C

8. Sensor Magnet

Sensor Magnet atau disebut juga 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.

9. Sensor Suhu

Sensor suhu adalah alat yang digunakan untuk merubah besaran panas menjadi besaran listrik yang dapat dengan mudah dianalisis besarnya. Karakteristik sensor suhu ditentukan dari sejauh mana sensor tersebut memiliki kemampuan yang baik dalam mendeteksi setiap perubahan suhu yang ingin dideteksinya. Kemampuan mendeteksi perubahan suhu meliputi:

a. Sensitifitas, yaitu ukuran seberapa sensitif sensor terhadap suhu yang dideteksinya. Sensor yang baik akan mampu mendeteksi perubahan suhu meskipun kenaikan suhu tersebut sangat sedikit. Sebagai gambaran sebuah inkubator bayi yang dilengkapi dengan sensor yang memiliki sensitifitas yang tinggi

b. Waktu respon dan waktu recovery, yaitu waktu yang dibutuhkan sensor untuk memberikan respon terhadap suhu yang dideteksinya. Semakin cepat waktu respon dan waktu recovery maka semakin baik sensor tersebut.

c. Stabilitas dan daya tahan, yaitu sejauh mana sensor dapat secara konsisten memberikan besar sensitifitas yang sama terhadap suhu , serta seberapa lama sensor tersebut dapat terus digunakan.

Ada 4 jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan :

1) Thermokopel

Thermokopel ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck tahun 1820 dan dikenal dengan Efek Seebeck.Thermokopel pada pokoknya terdiri dari sepasang penghantar yang berbeda disambung las dilebur bersama satu sisi membentuk “hot” atau sambungan pengukuran yang ada ujung-ujung bebasnya untuk hubungan dengan sambungan referensi. Perbedaan suhu antara sambungan pengukuranmdengan sambungan referensi harus muncul untuk alat ini sehingga berfungsi sebagai thermokopel.

(a) Thermokopel (b) Simbol thermokopel

Kombinasi jenis logam penghantar yang digunakan menentukan karakteristik linier suhu terhadap tegangan.

Tipe-tipe kombinasi logam penghantar thermokopel:

a) Tipe E (kromel-konstantan)

b) Tipe J (besi-konstantan)

c) Tipe K (kromel-alumel)

d) Tipe R-S (platinum-platinum rhodium)

e) Tipe T (tembaga-konstantan)

2) Detektor Suhu Tahanan

Konsep utama dari yang mendasari pengukuran suhu dengan detektor suhu tahanan (resistant temperature detector = RTD) adalah tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu. Kesebandingan variasi ini adalah presisi dan dapat diulang lagi sehingga memungkinkan pengukuran suhu yang konsisten melalui pendeteksian tahanan. Bahan yang sering digunakan RTD adalah platina karena kelinearan, stabilitas dan reproduksibilitas.

(a) Detektor suhu tahanan (b) Simbol RTD

3) Thermistor

Adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif. Karena suhu meningkat, tahanan menurun dan sebaliknya. Thermistor sangat peka (perubahan tahanan sebesar 5 % per^oC) oleh karena itu mampu mendeteksi perubahan kecil di dalam suhu.

4) Sensor Suhu Rangkaian Terpadu (IC)

Sensor suhu dengan IC ini menggunakan chip silikon untuk elemen yang merasakan (sensor). Memiliki konfigurasi output tegangan dan arus. Meskipun terbatas dalam rentang suhu (dibawah 200^oC), tetapi menghasilkan output yang sangat linear di atas rentang kerja.