BAB II LANDASAN TEORI
II.1 Pengertian Sensor Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala – gejala atau sinyal – sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya. Suatu peralatan yang memberitahukan kepada sistem kontrol tentang apa yang sebenarnya terjadi dinamakan sensor atau juga dikenal sebagai transduser. Sebagai contoh tubuh manusia mempunyai sistem sensor luar biasa yang memberitahukan kepada otak manusia secara terus menerus dengan gambar – gambar yang layak dan lengkap di sekitar lingkungan. Untuk sistem kontrol si pembuat harus memastikan parameter apa yang dibutuhkan untuk dimonitor sebagai contoh : posisi, temperatur, dan tekanan, kemudian tentukan sensor dan rangkaian data interface untuk melakukan perkerjaan ini. Sebagai contoh, kita ingin mengukur aliran cairan dalam suatu pipa dengan menggunakan flowmeter, atau kita ingin mengukur aliran secara tidak langsung dengan melihat seberapa lama cairan mengisi suatu tangki dengan ukuran tertentu. Kebanyakan sensor bekerja dengan mengubah beberapa parameter fisik seperti temparatur atau posisi ke dalam sinyal listrik. Ini sebabnya mengapa sensor juga dikenal sebagai transduser yaitu suatu peralatan yang mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain.
II.2 Klasifikasi Sensor Berdasarkan parameter – parameternya sensor dapat dibagi menjadi :
Universitas Sumatera Utara
1. Sensor Posisi (position sensors) Contoh : potensiometer, optical rotary encoders, dan LVDT. 2. Sensor Kecepatan (velocity sensors) Contoh : optical dan direct current tachometers. 3. Sensor Proximity (proximity sensors) Contoh : limit switches, optical proximity switches, dan hall – effect switches. 4. Sensor beban (load sensors) Contoh : bonded – wire strain gauges, semiconductor force strain gauges, dan low – force sensors. 5. Sensor Tekanan (pressure sensors) Contoh : tabung bourdon, bellows, dan semiconductor pressure sensors. 6. Sensor Temperatur (temperature sensors) Contoh : sensor temperatur bimetal, termokopel, resistance temperature detectors (RTD), termistor, dan IC temperature. 7. Sensor Aliran (flow sensors) Contoh : pelat orifice, tabung venture, tabung pitot, turbin, dan flowmeter magnetik (magnetic flowmeters). 8. Sensor Permukaan Cairan (liquid – level sensors) Contoh : discrete, dan lain – lain.
II.3 Sensor Proximity (proximity sensors) II.3.1 Limit Switches Suatu sensor proximity memberitahukan kepada kontroller jika suatu bagian yang bergerak berada pada posisi yang tepat. Limit switch adalah salah satu contoh dari sensor proximity. Limit switch adalah suatu tombol atau katup atau indikator
Universitas Sumatera Utara
mekanik yang diletakkan pada suatu tempat yang digerakkan ketika suatu bagian mekanik berada di ujung sesuai dengan pergerakan yang diinginkan. Sebagai contoh, dalam pembuka pintu otomatis garasi semua kontroller harus mengetahui apakah pintu terbuka atau tertutup sepenuhnya. Limit switch dapat mendeteksi kedua kondisi ini. Gambar 2.1 menunjukkan beberapa contoh limit switch. Limit switch sangat berperan untuk banyak aplikasi, tetapi mereka memiliki dua kekurangan yaitu digunakan secara terus menerus sebagai peralatan mekanik akhirnya akan rusak, dan limit switch membutuhkan sejumlah tekanan fisik untuk digerakkan.
(a)
(b)
(c) Gambar 2.1. (a) Tombol tekan (b) Tombol fleksibel (c) Roller
II.3.2 Optical Proximity Sensors Optical proximity sensors sering disebut dengan interrupters, menggunakan sumber cahaya dan sensor cahaya yang diletakkan pada suatu tempat dimana objek dapat dideteksi ketika memotong garis cahaya. Gambar 2.2(a) detektor cahaya menghitung sejumlah kaleng dalam suatu proses penyusunan. Gambar 2.2(b) detektor cahaya menentukan lubang read – only pada floopiy disk terbuka atau tertutup.
Universitas Sumatera Utara
(a)
(b)
Gambar 2.2. (a) Menghitung kaleng – kaleng pada belt conveyor (b) Mendeteksi lubang pada floopy disk
Detektor cahaya mempunyai empat tipe yang sering digunakan yaitu photo resistor, photodiodes, photo transistors, dan photovoltaic cells. 1. Photo resistor Photo resistor terbuat dari suatu material seperti cadmium sulfide (CdS), mempunyai sifat bahwa resistansi akan menurun jika permukaan cahaya meningkat. Agak sensitif dan tidak mahal, resistansi dapat berubah oleh beberapa faktor dalam keadaan terang ataupun gelap. Gambar 2.3(a) menunjukkan rangkaian interface photo resistor, R pd menurun dan V out meningkat. 2. Photodiode Photodiode adalah dioda yang sensitif terhadap cahaya. Ketika sebuah cahaya mengenai langsung kepada titik PN akan mengakibatkan meningkatnya kebocoran arus balik. Gambar 2.3(b) menunjukkan photodiode dengan rangkaian interface. Memberitahukan bahwa photodiode diberi tegangan reversed biased dan bahwa kebocoran arus balik yang kecil diubah ke dalam penguatan tegangan oleh operational amplifier.
Universitas Sumatera Utara
3. Photo transistor Gambar 2.3(c) menunjukkan cahaya secara efektif menghasilkan arus base dengan membangkitkan sepasang rongga elektron pada titik CB, semakin banyak cahaya maka transistor akan bekerja semakin baik. 4. Photovoltaic cell Photovoltaic cell berbeda dengan sensor cahaya sebab Photovoltaic cell sebenarnya menghasilkan daya listrik dari cahaya. Semakin besar cahaya maka semakin besar pula tegangan atau dapat juga dinamakan solar cell. Ketika digunakan sebagai sensor tegangan output yang kecil biasanya dikuatkan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3(d).
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2.3. (a) Photoresistor (b) Photodiode (c) Phototransistor (d) Photovoltaic Cell
Beberapa aplikasi menggunakan optical proximity sensor yang dinamakan dengan slotted coupler, juga disebut optointerrupter seperti yang ditunjukkan pada
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4. Peralatan ini terdiri dari sumber cahaya dan detektor. Ketika suatu objek bergerak ke dalam slot maka garis cahaya akan hancur. Peralatan ini diciptakan dengan bentuk standar yang bervariasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4(a). Untuk mengoperasikannya daya harus disediakan untuk LED, dan sinyal output diambil dari phototransistor seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4(b), yang menyediakan TTL – level (5 V atau 0 V) output. Ketika slotnya terbuka, cahaya mengenai transistor maka akan menyala. Ketika sinar terganggu maka transistor akan mati dan collector akan naik hingga 5 V melalui resistor.
(a)
(b)
Gambar 2.4. (a) Tipe bentuk (b) Rangkaian
II.3.3 Hall – Effect Proximity Sensors Pada tahun 1879 E. H. Hall menetapkan efek yang dinamakan efek hall yang berasal dari namanya sendiri. Dia menemukan sifat khusus dari tembaga dan kemudian semikonduktor yang lain. Mereka dapat menghasilkan tegangan dalam medan magnet. Ini adalah merupakan sifat utama dari germanium dan indium. Efek hall sebenarnya digunakan untuk wattmeter dan gaussmeter, dan sekarang juga digunakan untuk sensor proximity. Gambar 2.5 menunjukkan beberapa tipe aplikasi.
Universitas Sumatera Utara
Dalam semua kasus sensor efek hall menghasilkan tegangan ketika medan magnetk meningkat dengan sendirinya. Ini dapat dilakukan dengan menggerakkan magnet atau mengubah garis medan magnet tetapi nilai dari tegangan hall tidak bergantung pada pergerakan magnetnya melainkan bergantung pada medan magnetnya. Gambar 2.6 menunjukkan bagaimana efek hall bekerja. Pertama – tama sumber tegangan eksternal digunakan untuk menghasilkan arus (I) pada semikonduktor kristal. Tegangan output (V H ) melewati bagian dari kristal secara tegak lurus dengan arah arus. Ketika medan magnet didekatkan maka tegangan negatif akan dibelokkan ke satu sisi untuk menghasilkan tegangan. Hubungan ini dapat dijelaskan pada rumus berikut ini :
VH =
KIB ..................................................................................................... (2-1) D
Dimana : V H = Tegangan efek hall K = Konstanta (bergantung pada material) I
= Arus dari sumber eksternal
B = Medan magnet D = Konstanta ketebalan
(a)
(b)
Gambar 2.5. (a) Berhadapan (b) Bergeser
Universitas Sumatera Utara
(c)
(d)
Gambar 2.5. (c) Notch (d) Deteksi metal
Gambar 2.6. Cara Kerja Efek Hall
Rumus (2-1) menyatakan bahwa V H sebanding dengan I dan B. Jika I adalah konstan dan V H sebanding dengan medan magnet (B). Oleh karena itu output tidak sesungguhnya on atau off. Untuk memperoleh aksi switch maka output harus seperti deteksi ambang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7(a). Rangkaian ini menggunakan dua penguat pembanding (comparator amps) untuk menghasilkan tegangan swith yang tinggi dan rendah. Ketika V H mencapai 0,5 V penguat atas akan menyalakan R-S flip-flop dan ketika mencapai 0,25 V maka penguat bawah akan mematikan flip-flop. Untuk bekerjanya rangkaian ini, maka kita harus memastikan
Universitas Sumatera Utara
magnet cukup mendekati sensor agar V H mencapai 0,5 V dan magnet cukup menjauhi sensor agar V H mencapai 0,25 V. Sensor efek hall yang lengkap dapat dibeli dalam bentuk IC. Salah satu contoh adalah Allegro 3175 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7(b). Allegro terdiri dari sensor (X), bagian arus silang, dan deteksi ambang. Transistor akan bekerja ketika medan magnet mencapai +100 gauss dan tidak bekerja ketika menurun hingga –100 gauss. Transistor dapat memuat 15 mA, yang dapat mengatur relay kecil atau rangkaian digital secara langsung. Sensor efek hall biasanya digunakan pada banyak aplikasi. Sebagai contoh, katup keyboard computer dan sensor proximity dalam mesin.
(a)
(b)
Gambar 2.7. (a) Deteksi Ambang (b) Allegro UGN – 3175
Universitas Sumatera Utara
