DAY 3. SENSOR GAYA, POSISI DAN KECEPATAN

 

Sensor merupakan komponen penting dalam sistem otomasi dan kontrol. Ada banyak jenis sensor berbeda yang dapat digunakan untuk mengukur berbagai jenis variabel dan parameter dalam suatu sistem. Dalam penjelasan berikut, akan diuraikan beberapa macam-macam sensor yang dapat digunakan pada aspek otomasi​

 

A.    SENSOR POSISI DAN KECEPATAN

Sensor posisi dan kecepatan adalah jenis sensor yang digunakan untuk mengukur posisi dan kecepatan suatu benda atau objek. Sensor ini biasanya terdiri dari dua elemen sensitif yang berbeda yaitu sensor posisi yang mengukur perubahan posisi benda, dan sensor kecepatan yang mengukur kecepatan perubahan posisi benda tersebut. ​Kedua jenis sensor ini biasanya terpasang bersamaan pada benda atau objek yang sama, sehingga sistem kontrol atau komputer dapat memantau posisi dan kecepatan benda tersebut secara bersamaan. ​​Berikut ini adalah beberapa jenis sensor posisi dan kecepatan.​

1.      Proximity sensors

Proximity sensors adalah sensor yang dapat mendeteksi keberadaan benda tanpamemerlukan kontak fisik. Sensor ini mendeteksi perubahan posisi dengan mendeteksi adanya benda di sekitar sensor. Proximity sensor dapat difungsikan sebagai tombol sentuh jika sensitifitas sensor diatur pada jarak yang dekat.

​  

Sensor Proximity​​

( ato.com/proximity-sensor-inductive-m18-3-wire-120v )

Proximity sensors sering digunakan pada smartphone. Misalnya saat ada panggilan telepon, maka sensor ini akan mendeteksi saat smartphone ditempelkan pada telinga untuk mematikan layar smartphone secara otomatis​

 

2.      Potensiometer

Potensiometer adalah sensor posisi yang mengubah perubahan posisi menjadi perubahan resistansi. ​Sensor ini sering digunakan untuk mengukur posisi maupun pergerakan linear atau rotasi, seperti pada joystick yang digunakan untuk menggerakkan mesin crane maupun kontroler konsol gim.

Potensiometer Putar​​

(Evan-Amos, Public domain, via Wikimedia Commons)​​

 

Potensiometer terdiri dari elemen geser (wiper) dan elemen resistif. Apabila wiper digeser (atau diputar) maka resistansi akan berubah secara proporsional terhadap perpindahan yang terjadi. Ada tiga jenis potensiometer, yaitu wire-wound, film karbon dan film plastik, yang dinamai sesuai dengan bahan yang digunakan untuk membangun elemen resistensi. Potensiometer dapat berupa potensiometer geser yang dapat mengukur perpindahan linear dan potensiometer dan potensiometer putar yang dapat mengukur perpindahan sudut.

 

​

 

 

3.      Encoder

Encoder adalah sensor posisi yang menggunakan roda kode atau cakram yang diatur dengan pola yang berbeda untuk menghasilkan sinyal digital yang menunjukkan posisi dan arah rotasi.​​ Encoder dapat berupa linier encoder maupun rotary encoder.

Pada encoder tipe optikal menggunakan berkas cahaya yang lewat melalui cakram yang memiliki pola spesifik. Sisi lain dari cakram merupakan sensor foto yang akan menginterpretasikan cahaya. Pulsa cahaya tersebut kemudian diubah menjadi sinyal listrik yang dapat diproses.​

Cara Kerja Encoder Optikal

 

Sementara itu, incremental shaft encoder mengukur posisi sudut sesaat dari poros relatif terhadap beberapa titik datum yang berubah-ubah, tetapi tidak dapat mengukur posisi sudut absolut. Prinsip operasi dari encoder ini adalah untuk menghasilkan pulsa sebagai poros yang perpindahannya sedang diukur berputar. Pulsa-pulsa ini dihitung dan rotasi sudut total disimpulkan dari jumlah pulsa. Pulsa dapat dihasilkan baik dengan cara optik atau magnetik dan dideteksi oleh sensor yang sesuai.

 

B.     LVDT

Linear Variable Differential Transformer atau LVDT adalah sensor posisi yang digunakan untuk mengukur pergerakan linear dari referensi mekanik menjadi sinyal listrik yang sebanding dengan fase dan amplitudo. Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip transformator dengan mengubah pergerakan magnetik menjadi sinyal listrik.​​ Pada LVDT memiliki dua bagian kumparan sekunder, yaitu kumparan premier serta inti bahan feromagnetik, pada semua kumparan memiliki lilitan pada pipa sedangkan inti terletak pada bagian tengah pipa.

LVDT​​

( bditest.com/product/lvdt )

 

LVDT terdiri dari lilitan primer dan sekunder dan inti besi yang dapat digerakkan. Perangkat ini berfungsi seperti transformator, di mana tegangan terinduksi pada kumparan sekunder merupakan respons terhadap eksitasi pada kumparan primer. LVDT harus dieksitasi oleh sinyal AC untuk menginduksi respons AC di lilitan sekunder. Posisi inti (core) dapat ditentukan dengan mengukur respon sekunder. Dengan dua kumparan sekunder terhubung dalam konfigurasi seri.

Selain LVDT, terdapat juga Rotational Variable Differential Transformer yaitu transformator diferensial yang memiliki bentuk khusus yang mengukur gerakan rotasi daripada gerak translasi. Metode konstruksi dan hubungan lilitan persis sama dengan untuk LVDT, hanya saja inti ferit yang berbentuk khusus digunakan yang memvariasikan induktansi timbal balik antara lilitan saat berputar. . Seperti halnya LVDT, Rotational Differential Transformer tidak mengalami keausan dalam pengoperasian dan karenanya memiliki usia pakai yang sangat panjang dengan sedikit perawatan.

 

C.    MAGNETIK SENSOR

Magnetic sensors menggunakan medan magnetik untuk mendeteksi perubahan posisi. Sensor ini sering digunakan untuk mengukur pergerakan linear atau rotasi, dan biasanya dilengkapi dengan magnet permanen dan sensor Hall Effect.​

 

D.    ULTRASONIC SENSOR

Ultrasonic sensors menggunakan gelombang suara untuk mendeteksi perubahan posisi maupun jarak dari suatu benda dengan memancarkan gelombang suara ultrasonic, lalu mengubah suara yang dipantulkan menjadi sinyal listrik.

Sensor Ultrasonic HC-SR04​​

( ioarvanit.gr/en/archives/2992 )​

 

Cara kerja sensor ini adalah dengan mengirimkan pancaran ultrasonic yang singkat (sekitar beberapa milisekon) dari transmitter lalu mengukur waktu yang diperlukan suara untuk kembali ke receiver.​

 

Cara kerja sensor ultrasonic​​

( ioarvanit.gr/en/archives/2992 )​​

 

Formula yang digunakan untuk mengukur jarak sensor dengan objek dapat menggunakan rumus

​

D = t.c​

Dimana, ​​

D: Jarak​​

c: Konstanta Kecepatan Suara (~ 343 m/s)​​

t: Waktu​

 

E.     SENSOR GAYA

Sensor gaya adalah jenis sensor yang digunakan untuk mengukur gaya pada suatu objek. Sensor ini bekerja dengan cara mengubah gaya yang diterapkan pada sensor menjadi sinyal listrik yang dapat diukur dan diproses oleh perangkat elektronik.​Sensor gaya yang paling sering digunakan adalah load cell. Load cell merupakan tranduser yang dapat mengkonversi gaya atau berat menjadi sinyal listrik dan digunakan untuk mengukur gaya atau berat tersebut. Ketika beban diterapkan pada load cell, sinyal listrik juga akan berubah secara proporsional. Beberapa jenis load cell diantaranya load cell pneumatic, hydraulic, dan yang paling sering digunakan adalah strain gauge. Dimana biasanya sebuah load cell memiliki empat buah strain gauge yang disusun pada rangkaian wheatstone bridge.

1.      Strain Gauge

Strain Gauge adalah contoh dari sensor yang menggunakan variasi hambatan listrik untuk mengukur regangan yang dihasilkan oleh gaya yang bekerja pada suatu material. Strain gauge merupakan detektor dan transduser yang sangat serbaguna untuk mengukur berat, tekanan, gaya mekanik atau perpindahan. Konstruksi strain gauge terdiri atas kawat halus yang dibentuk menjadi pola zigzag atau bolak-balik yang direkatkan langsung ke komponen dengan epoksi atau sianoakrilat. Hal ini dapat mempermudah handling, juga secara elektrik mengisolasi foil logam dari komponen. Kawat timah kemudian disolder ke tab solder pada gage.

Strain Gauge​​

( Pleriche, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons )​​

 

Peletakan strain gauge tergantung dari pengukuran yang dilakukan, apakah itu pengukuran gaya aksial, momen bending, atau torsi, dan lain-lain. Satu buah strain gauge hanya dapat mengukur regangan pada satu arah, oleh karena itu untuk mengukur gaya/torsi, pada suatu elemen dapat digunakan lebih dari satu buah strain gauge untuk mendapatkan data pengukuran yang lebih akurat.

Pemasangan Strain Gauge​​

( binsfeld.com/torque-measurement-weldable-bondable-strain-gage/ )

 

Ketika komponen diberi beban, akan terjadi regangan yang menyebabkan foil logam berubah bentuk, sehingga menimbulkan perubahan resistansi listrik. Perubahan resistansi ini dapat diukur dengan menggunakan rangkaian Wheatstone bridge dan dikonversi menjadi nilai regangan.

 

 

Sensor kapasitif

Sensor kapasitif bekerja berdasarkan metode kapasitif yang berfungsi untuk mendeteksi perubahan komposisi bahan dielektrik, dengan menentukan nilai kapasitansi dan konstanta dielektrik. Sensor ini biasanya terdiri dari dua elektroda yang dipisahkan oleh bahan dielektrik, dan memiliki karakteristik kapasitansi yang berubah-ubah tergantung pada besaran fisik yang diukur.​ umumnya sensor ini digunakan untuk mengukur posisi, proximity, dan akselerasi.

 

Sensor induktif

Untuk menentukan sensitivitas dan akurasi pengukuran deformasi strain gauge, dapat menggunakan gauge factor. Gauge factor adalah rasio perubahan resistansi dari strain gauge terhadap perubahan tegangan atau regangan yang diberikan pada material yang dikenai tekanan atau tarikan.​​ Gauge factor dinyatakan sebagai persentase perubahan resistansi per unit regangan atau tegangan yang diberikan pada strain gauge. Nilai gauge factor bergantung pada desain dan bahan strain gauge, serta pada jenis material yang dikenai tegangan atau regangan.

 

Gauge Factor dapat dinyatakan dengan:​​

​

​​

​

​​

​  

Dimana,​​

∆R : Perubahan resistansi​​

R : Resistansi Awal​​

έ : Nilai Regangan

 

Output dari rangkaian strain gauge adalah sinyal tegangan level sangat rendah yang membutuhkan sensitivitas 100 mikrovolt atau lebih baik. Tingkat sinyal yang rendah ini sangat rentan terhadap kebisingan (Noise) yang tidak diinginkan dari perangkat listrik lainnya. Kopling kapasitif yang disebabkan oleh kabel kawat timah yang berjalan terlalu dekat dengan kabel daya AC merupakan salah satu sumber kesalahan dalam pengukuran regangan. Sumber kesalahan lain mungkin termasuk voltase yang diinduksi secara magnetis ketika kawat timah melewati medan magnet variabel, resistansi kontak parasit dari kawat timah, kegagalan isolasi, dan efek termokopel di persimpangan logam yang berbeda. Jumlah dari gangguan tersebut dapat mengakibatkan degradasi sinyal yang signifikan.