1 BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN III. Sensor Sensor adalah suatu piranti yang dapat mendeteksi dan mengubah besaran alam atau besaran fisis seperti ...
BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN III.1 Sensor Sensor adalah suatu piranti yang dapat mendeteksi dan mengubah besaran alam atau besaran fisis seperti kecepatan, percepatan, tekanan, regangan, dan lain-lain ke besaran elektronik seperti tegangan, resistansi, arus. III.1.1 Strain Gauge Efek Piezoresistive Suatu perubahan resistansi pada suatu material akibat dari deformasi secara mekanik disebut efek piezoresistive. Salah satu deformasi mekanik pada material dinamakan regangan. Untuk lebih jelasnya mengenai efek piezoresistive akan dijelaskan sebagai berikut. Misalnya sebatang kawat silinder memiliki resistansi yang memenuhi persamaan (Tompkins,1988):
R=
ρL A III.1
dengan R adalah resistansi kawat, ρ adalah massa jenis kawat, L adalah panjang kawat, dan A adalah luas penampang kawat. Jika persamaan tersebut diturunkan untuk mendapatkan rasio-rasio perubahan massa jenis dan panjang maka menjadi (Tompkins,1988):
dR (1 + 2υ )dL dρ = + ρ R L III.2
υ=−
dD / D dL / L III.3
dengan dR/R adalah rasio perubahan resistansi, dL/L adalah rasio perubahan panjang, d ρ / ρ adalah rasio perubahan massa jenis, υ adalah rasio Poisson, dan
10
BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN
dD/D adalah rasio perubahan diameter kawat. Untuk mendapatkan hubungan dengan regangan maka(Tompkins, 1988): dR ⎛ dρ / ρ ⎞ = ⎜1 + 2υ + ⎟dL / L R ⎝ dL / L ⎠ III.4
Jika dihubungkan dengan persamaan (II.2) maka didapat persamaan seperti dibawah (Fraden, 1996): dR = S eε R III.5 dρ / ρ ⎞ ⎛ S e = ⎜1 + 2υ + ⎟ dL / L ⎠ ⎝ III.6
dengan dR/R adalah perubahan relatif resistansi, S e adalah sensitivitas atau gauge factor, dan ε adalah regangan.
Strain gauge adalah salah satu material yang mengalami efek piezoresistive tersebut. Jadi dapat disimpulkan bahwa strain gauge adalah suatu sensor resistive yang elastis yang mempunyai hambatan atau resistansi yang merupakan fungsi dari regangan.
11
BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN
Gambar III.1 Perubahan Regangan dan Resistansi Strain Gauge
III.1.2 Accelerometer Efek Piezoelectric pada Accelerometer
Gambar III. 2 Prinsip Dasar Piezoelectric Accelerometer (www.kistler.com) F = ma
III.7 Apabila pada kuarsa diberikan suatu gaya maka kuarsa akan melepaskan elektron. Permitivitas adalah besarnya gaya yang dibutuhkan untuk memancarkan satu elektron. Hubungan persamaannya adalah sebagai berikut (www.kistler.com).
Q ≡σ ⋅F III.8 Untuk mengukur banyaknya elektron yang dilepaskan dari quarsa dibutuhkan kapasitor untuk mengkonversi jumlah elektron ke tegangan. Persamaannya adalah sebagai berikut:
12
BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN
ΔV =
Q C III.9
ΔV =
m ⋅σ ⋅ a C III.10
Jadi dapat disimpulkan bahwa tegangan keluaran dari accelerometer berbanding lurus dengan nilai percepatan dengan persamaan,
sensitivitas ≡
m ⋅σ ⋅ C III.11
III.2 Pengolah Sinyal III.2.1 Jembatan Wheatstone
Untuk mengetahui besar perubahan resistansi dari strain gauge maka diperlukan suatu rangkaian yang dinamakan rangkaian jembatan Wheatstone. Rangkaian jembatan Wheatstone ini memiliki empat buah impedansi Z. Keluaran tegangannya dapat dirumuskan sebagai berikut (Fraden, 1996): ⎛ Z1 Z3 Vout = ⎜⎜ − ⎝ Z 1+ Z 2 Z 3+ Z 4
⎞ ⎟⎟Vref ⎠
III.12
Gambar III.3 Sirkuit Jembatan Wheatstone
13
BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN
∂Vout δZ 1 = Vref 4Z1 III.13 Jadi dapat disimpulkan bahwa untuk mengetahui besarnya perubahan resistansi pada jembatan Wheatstone yang memiliki tiga buah impedansi yang tetap dan satu buah impedansi yang dapat berubah nilai resistansinya maka dapat digunakan persamaan dibawah ini(Fraden, 1996).
Salah satu kendala dalam sebuah sistem instrumentasi adalah tegangan yang diukur sangat kecil dan tidak dapat diukur secara langsung. Oleh karena itu dibutuhkan suatu alat untuk memperkuat besaran fisis tersebut yang biasa disebut dengan penguat instrumentasi. Penguat instrumentasi adalah penguat lingkar tertutup dengan masukan diferensial yang dapat dibuat menggunakan Op-amp.
Rangkaian penyangga adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengisolasi rangkaian sebelum rangkaian penyangga ini dan rangkaian sesudahnya. Berfungsi pula sebagai bandpass filter yang merupakan gabungan dari lowpass filter dan
high pass filter. Tegangan keluaran dari rangkaian penyangga ini sama dengan tegangan masukannya.
Vinput = Voutput III.16
Nilai frekuensi cut off untuk high pass filter
f =
1 2πR1C1 III.17
Nilai frekuensi cut off untuk low pass filter
f =
1 2πR2 C 2 III.18
15
BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN
III.3 Konversi Sinyal Analog ke Digital (ADC)
ADC adalah pengubah sinyal analog menjadi digital yang dalam hal ini sinyalnya berupa tegangan. Salah satu metode pengubahan sinyal dari ADC adalah
Successive Approximation Register (SAR). Tegangan input sinyal dibandingkan dengan tegangan keluaran referensi dari DAC dalam komparator sehingga menghasilkan nilai tinggi dan nilai rendah.. Nilai tinggi yang mencerminkan nilai 1 dan rendah yang mencerminkan nilai 0. Nilai dari keluaran dari SAR ini berupa nilai biner sebanyak digit dari ADC yang digunakan. Jika menggunakan ADC 3 bit maka jumlah nilai SAR yang keluar ada 3 digit.
Gambar III. 6 Blok Diagram Analog to Digital Converter (Tompkins,1988)
16
BAB III KONSEP DASAR PERANCANGAN
Gambar III. 7 Pencacahan Sinyal pada Analog to Digital Converter 3 bit metode SAR
data _ digital = 2n (bit (n )) + 2n −1 (bit (n − 1)) + L 21 (bit (1)) + 20 (bit (0)) III.19
