BAB III SENSOR, PENGKONDISIAN SINYAL DAN AKUISISI DATA

BAB III SENSOR, PENGKONDISIAN SINYAL DAN AKUISISI DATA III.1 Strain Gage III.1.1 Strain, Stress dan Poisson’s Ratio

Ketika sebuah material menerima gaya tarik (tensile force) P, material akan

mengalami tekanan (stress) yang berhubungan dengan gaya yang dialaminya itu. Secara proporsional dengan tekanan tersebut, penampang akan berkontraksi dan bertambah panjang sebesar L dari panjang material mula-mula L.

Gambar 3. 1 Batang yang Mengalami Tarik dan Tekan [12]

Rasio dari pertambahan panjang dengan panjang mula-mula disebut tensile strain dan dirumuskan sebagai berikut:

ε=

∆L L

[12] : Strain

L

: Panjang mula-mula

L

: Pertambahan panjang

77 Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008

Perhatikan gambar bagian bawah dari Gambar 3.1. Apabila material menerima gaya tekan (compressive force), maka material akan mengalami compressive strain yang dirumuskan sebagai berikut:

ε=

− ∆L L

[12]

Sebagai contoh, apabila sebuah gaya tarik membuat material dengan panjang 100mm bertambah panjang sebesar 0,01mm, strain yang terjadi pada material tersebut adalah:

ε=

∆L 0,01 = = 0,0001 = 100 × 10 − 6 L 100

[12]

Strain adalah bilangan absolut dan dituliskan dengan nilai numeriknya beserta ×10-6 strain, µ

atau µm/m.

Hubungan dari stress dan strain yang diinisiasikan pada sebuah material yang menerima gaya dirumuskan oleh hukum Hooke sebagai berikut:

σ = Eε

[12] : Stress

E

: Elastic modulus : Strain

Stress diperoleh dengan mengkalikan strain dengan elastic modulus material. Ketika material mengalami gaya tarik maka material akan memanjang pada arah axial dan juga akan berkontraksi pada arah transversal. Perpanjangan pada arah axial dinamakan longitudinal strain dan kontraksi pada arah transversal dinamakan transverse strain. Nilai absolut dari perbandingan antara longitudinal strain dan transverse strain dinamakan Poisson’s ratio, yang dirumuskan sebagai berikut:

v= v

ε2 ε1

[12] : Poisson’s ratio

1

: Longitudinal strain

2

: Transverse strain

∆L ∆L (Gambar III.1) atau − L L

∆D ∆D (Gambar III.1) atau − D D


Poisson’s ratio berbeda-beda tergantung dari material. Berikut adalah propertiproperti dari material yang sering digunakan pada aplikasi industri, termasuk pada property tersebut adalah Poisson’s ratio. Tabel 3. 1 Mechanical Properties of Industrial Materials [12]

III.1.2 Prinsip Kerja Strain Gage

Setiap material memiliki hambatan yang spesifik. Sebuah gaya tarik (gaya tekan)

akan menambah (mengurangi) hambatan dengan menambah panjang (mengkontraksi) material. Misalkan hambatan mula-mula adalah R dan strain menginisiasikan perubahan hambatan sebesar R, maka kita dapat mengkonklusikan persamaan sebagai berikut: ∆R ∆L = Ks = Ks ⋅ ε R L

[12]

Dimana, Ks adalah gage factor, sebuah koefisien yang mengekspresikan sensitivitas dari strain gage. Pada umumnya strain gage menggunakan copper-nickel atau nickel-chrome alloy sebagai elemen resistif, dan gage factor yang dihasilkan dari alloy ini adalah sekitar 2. Walaupun strain gage mampu mendeteksi besarnya strain yang terjadi pada elemen dan mengkonversi mekanisme strain ini menjadi perubahan hambatan listrik, tetapi karena strain merupakan fenomena infinitesimal yang tak nampak, jadi perubahan hambatan yang terjadi sangat kecil. Agar hambatan listrik yang kecil ini mampu untuk dihitung, maka diperlukan suatu amplifier dengan menggunakan sirkuit elektris yang disebut dengan jembatan Wheatstone.


III.1.3 Jenis-Jenis Strain Gage Terdapat bermacam-macam jenis strain gage. Dari jenis elemen resistifnya, strain gage di bagi atas [27] : 1. Foil Strain Gage (Cu-Ni alloy, Ni-Cr aIIoy) 2. Wire Strain Gage (Cu-Ni alloy, Ni-Cr alloy) 3. Semikonduktor Strain Gage (monocrystal silicon) Material dari carrier matrix mempengaruhi karakteristik dari starin gage, sama halnya dengan material dari elemen resistifnya. Umumnya carrier matrix menggunakan polymide atau material organik lainnya. Strain gage yang beroperasi untuk temperatur yang tinggi umumnya menggunakan material jenis keramik, dan untuk strain gage yang ditempelkan pada benda hasil las, carrier matrix-nya menggunakan logam seperti inconel 600. Berdasarkan carrier-matrix materialnya, strain gage terdiri atas bermacam-macam jenis, misalnya strain gage yang menggunakan kertas sebagai carrier matrixnya, fenol, epoxy, polymide, dan lain-lain. Berdasarkan konfigurasinya strain gage terdiri atas konfigurasi monoaksial, konfigurasi biaksial, konfigurasi triaksial, dan konfigurasi khusus untuk keperluan khusus.

Gambar 3. 2 Jenis-Jenis Strain Gage Berdasarkan Konfigurasinya[27]


Secara garis besarnya klasifikasi strain gage sebagai berikut : Tabel 3. 2 Tabel Klasifikasi Strain Gage [27] Material Elemen Resistif

Foil

strain

Wire

strain

gage

(Cu-Ni

alloy,

Ni-Cr

aIIoy,

etc.)

gage

(Cu-Ni

alloy,

Ni-Cr

alloy,

etc.)

Semiconductor strain gage (monocrystal silicon, etc.) Material Carrier Matrix

Paper Phenol/epoxy Polyimide

Panjang Gage

0.14-120mm Monoaxis

Bentuk

Multiaksis

(seperti

gage

rosette)

Gage yang memiliki alur khusus Hambatan Gage

60 - 1000ohm atau lebih (semiconductor gage, lebih dari 10Kohm)

III.1.4 Struktur Foil pada Strain gage

Sebuah foil strain gage memiliki metal foil photo-etched dengan pola berliku-

liku pada sebuah insulator elektrik yang terbuat dari resin yang tipis dan di bagian pangkalnya juga terdapat gage leads, deskripsi strain gage dapat terlihat pada gambar di bawah.

Gambar 3. 3 Struktur Pembentuk Strain gage [12]


Strain gage direkatkan pada objek yang akan diukur dengan menggunakan bahan adesif tertentu. Strain yang terjadi pada bagian objek yang akan diukur ini ditransfer menuju elemen peraba melalui dasar gage (gage base). Untuk memperoleh pengukuran yang akurat, strain gage dan bahan adesifnya harus cocok dengan material yang diukur dan kondisi operasi termasuk suhu.

III.1.5 Prinsip Pengukuran Strain

Strain menginisiasikan perubahan hambatan dengan sangat kecil. Oleh karena itu,

untuk pengukuran strain sebuah jembatan Wheatsone digunakan untuk mengkonversi perubahan hambatan menjadi perubahan tegangan. Misal pada gambar 3, hambatan ( ) adalah R1, R2, R3, dan R4 dan tegangan jembatan (V) adalah Eexc. Maka, tegangan keluaran e0 (V) dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut:

e0 =

R1 R3 − R2 R4 ⋅E (R1 + R2 )(R3 + R4 ) exc

[9]

Misalkan hambatan R1 adalah strain gage dan berubah besarannya sebanyak R akibat strain. Maka, tegangan keluaran adalah,

e0 =

(R1 + ∆R )R3 − R2 R4 ⋅E (R1 + ∆R + R2 )(R3 + R4 ) exc

Apabila, R1 = R2 = R3 = R4 = R,

e0 =

R 2 − R∆R − R 2 ⋅E (2 R + ∆R )2 R exc

Sejak R dianggap jauh lebih besar dari nilai R,

e0 =

1 ∆R 1 ⋅ ⋅ E = ⋅ K s ⋅ ε ⋅ E exc 4 R 4

[9]

Berdasarkan persamaan di atas, diperoleh keluaran hambatan yang proporsional dengan perubahan hambatan, sebagai contoh akibat perubahan strain. Keluaran tegangan yang sangat kecil ini diamplifikasi untuk pembacaan analog atau pun indikasi digital dari strain.


Gambar 3. 4 Aplikasi Jembatan Wheatstone pada Strain gage [12]

III.1.6 Sistem Pengkabelan Strain gage

Sebuah jembatan Wheatstone dari stain gage memiliki konfigurasi 1, 2 atau 4

gage tergantung dari kebutuhan pengukuran. Pengkabelan yang umum digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.5, 3.6 dan 3.7.

III.1.6.1 Sistem 1-gage Pada sistem 1-gage, sebuah strain gage dihubungkan pada sebuah sisi dari jembatan Wheatstone dan sebuah resistor diletakkan pada setiap 3 sisi jembatan yang lain. Sistem ini dapat dengan mudah dikonfigurasi, dan sistem ini adalah yang paling umum digunakan pada pengukuran stress atau strain. Sistem 1-gage dengan 2-kabel ditunjukkan pada Gambar 3.5 (a) menerima banyak pengaruh dari leads. Oleh karena itu, apabila diperlukan antisipasi perubahan temperatur yang cukup besar dan leadwire yang cukup panjang, sistem 1-gage dengan 3-kabel seperti yang ditunjukkan Gambar 3.5 (b) harus digunakan.

(a)

(b)

Gambar 3. 5 Konfigurasi Sistem 1-gage [12]


III.1.6.2 Sistem 2-gage Dengan sistem 2-gage, 2 buah strain gage dihubungkan pada jembatan dengan konfigurasi satu pada setiap dua sisi atau kedua strain gage pada satu sisi saja. Sebuah resistor tetap dihubungkan pada setiap 2 atau 3 sisi yang lain. Perhatikan Gambar 3.6 (a) dan Gambar 3.6 (b)di bawah ini. Terdapat dua metode, yaitu metode active-dummy, dimana sebuah strain gage digunakan untuk mengkompensasi perubahan temperatur dan metode active-active dimana kedua strain gage berfungsi sebagai strain gage aktif. Sistem 2-gage digunakan untuk mengeliminasi komponen strain. Tergantung pada kebutuhan pengukuran, 2 buah strain gage dihubungkan ke jembatan dengan cara yang berbeda-beda.

(a)

(b)


III.1.6.3 Sistem 4-gage Perhatikan Gambar 3.7, pada sistem 4-gage, terdapar 4 buah strain gage yang dihubungkan pada setiap keempat sisi jembatan. Rangkaian ini akan menghasilkan keluaran yang besar dari tranduser strain-gage dan memperbaikan kompensasi temperatur demikian pula dapat mengeliminasi komponen strain dibandingkan strain target.



III.1.7 Tegangan Keluaran dari Berbagai Konfigurasi Jembatan Wheatstone III.1.7.1 Tegangan Keluaran pada Sistem 1-gage Seperti yang diilustrasikan gambar di bawah, sebuah strain gage dilekatkan pada permukaan atas dari batang yang memiliki penampang kotak. Apabila beban W diberikan pada ujung batang, daerah perekatan strain gage memiliki besar tegangan permukaan :

σ = ε0 ⋅ E Strain

ε0 =

0

diperoleh dengan persamaan sebagai berikut:

6WL Ebh 2

Dimana,

[12] b

: Lebar dari batang

h

: Tebal dari batang

L

: Jarak dari titik beban ke bagian tengah strain gage

Gambar 3. 8 Pengukuran Bending dengan Konfigurasi Sistem 1-gage [12]

III.1.7.2 Tegangan Keluaran pada Sistem 2-gage Terdapat dua metode konfigurasi pada sistem 2-gage ini, dimana setiap metode memiliki kegunaan masing-masing. Metode pertama adalah pemasangan seperti pada Gambar 3.6 (a). Keluaran tegangan yang terjadi pada rangkaian ini adalah [12]: 85 Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008

e=

1 ∆R1 ∆R2 − E exc R2 4 R1

atau, e =

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc 4

[12]

Sementara itu, metode kedua adalah untuk kasus pemasangan sesuai dengan Gambar 3.5 (b), keluaran tegangan yang terjadi adalah [12]:

e=

1 ∆R1 ∆R2 + E exc R2 4 R1

atau, e =

1 K (ε 1 + ε 2 )E exc 4

Berdasarkan

rumusan

[12] di

atas

dapat

dikatakan bahwa, strain yang dihasilkan oleh strain gage kedua akan mengurangi/menambah strain yang dihasilkan oleh strain gage pertama, bila pemasangan kedua strain gage berada pada sisi yang bersebelahan/berlawanan. Gambar 3. 9Aplikasi sistem konfigurasi 2-gage pada batang [12]

Sistem 2-gage umum digunakan pada kasus sebagai berikut. Untuk mengetahui secara terpisah dari parameter regangan akibat bending atau tensile yang dihasilkan batang yang terkena gaya, dua buah strain gage diletakkan pada posisi yang sama masing-masing pada setiap sisi atas dan bawah, seperti yang terlihat pada gambar. Kedua strain

Konfigurasi 1 [12]

gage ini terhubung pada jembatan Wheatstone dengan dua konfigurasi yang berbeda, yakni bersebelahan

atau

berlawanan

sisi,

setiap

konfigurasi dapat mengukur regangan akibat bending atau tensile secara terpisah. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut, strain gage 1 akan merasakan regangan tarik (positif) dan strain gage konfigurasi 2 [12]

Gambar 3. 10 Sistem 2gage

2 akan merasakan regangan tekan (negatif). Nilai absolut dari kedua regangan adalah serupa, yang berbeda hanya polaritasnya saja, hal ini karena kedua strain gage memiliki jarak yang sama terhadap ujung terkenanya gaya. 86

Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008

Untuk mengukur bending stress saja hal yang dilakukan adalah melakukan offset dari regangan tarik dengan cara mengkonfigurasi strain gage 2 pada sisi yang bersebelahan dengan strain gage 1 pada jembatan Wheatstone (gambar). Maka tegangan keluaran yang terjadi adalah [12]:

e=

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc 4

[12]

Apabila batang mengalami tarikan (tensile stress), kedua strain gage akan merasakan regangan tarik yang sama-sama bernilai positif, sehingga dari persamaan akan menghasilkan keluaran 0 ( 1-

2).

Sementara itu, bending stress akan mengakibatkan

strain gage 1 bernilai positif dan strain gage 2 bernilai negatif, dari persamaan

e=

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc , maka nilai strain gage 2 akan menambah nilai strain gage 1, 4

sehingga diperoleh keluaran tegangan dengan nilai dua kali lipat. Oleh karena itu, rangkaian seperti Gambar 3.10 hanya dapat mengukur bending stress saja. Apabila strain gage 2 dihubungkan pada sisi yang berlawanan dengan strain gage 1, tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone adalah:

e=

1 K (ε 1 + ε 2 )E exc 4

[12]

Persamaan ini berlawanan dengan persamaan sebelumnya, tegangan keluaran jembatan Wheatstone akan nol bila mengalami bending strain dan akan mengeluarkan keluaran dua kali lipat bila mengalami tensile strain. Maka dari itu, konfigurasi jembatan seperti pada Gambar 3.10 dapat menghilangkan pengaruh bending strain, akan tetapi tetap mampu mengukur tensile strain.

Gambar 3. 11 Pengukuran Bending Stress dengan Sistem 1-gage [12]


III.1.7.3 Tegangan Keluaran pada Sistem 4-gage Sistem 4-gage memiliki 4 buah strain gage yang dirangkai pada setiap sisi dari jembatan. Meskipun system ini jarang digunakan dalam pengukuran regangan, akan tetapi system ini sering digunakan dalam tranduser strain gage. Ketika keempat strain gage mengalami perubahan hambatan menjadi masing-masing R1 + R1, R2 + R2, R3 + R3, dan R4 + R4, maka tegangan keluaran dari jembatan adalah [12]:

e=

1 ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 − + − E exc R2 R3 R4 4 R1

Gambar 3. 12 Sistem 4-gage [12] Apabila strain gage pada keempat sisi memiliki spesifikasi yang serupa, termasuk gage factor, K, dan menerima strain masing-masing

1,

2,

3,

dan

4,

maka persamaan

(III.14) menjadi:

e=

1 ⋅ K (ε 1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 )E exc 4

[12]

III.1.8 Strain pada Batang Strain

εo = Dimana,

o

pada batang diperoleh dengan menggunakan persamaan

M ZE M: Z: E:

[12] Bending moment Section modulus Young’s modulus


Tabel 3. 3 Section Modulus Berbagai Penampang[12]

III.1.9 Kompensasi Temperatur oleh Strain Gage

Misalkan objek yang akan diukur dan elemen hambatan dari strain gage memiliki

koefisien ekspansi linier

s

dan

g.

Maka, strain gage yang dilekatkan pada permukaan

dari objek akan mengalami strain yang diinduksikan oleh perubahan tempertur sebesar

T

per 1°C dan dapat dirumuskan oleh persamaan berikut ini [12]:

εT =

α Ks

+ (β s − β g )

[12]

Dimana, : Ks:

Koefisien perubahan hambatan oleh temperatur dari elemen hambatan

Gage faktor dari strain gage

Gambar 3. 13 Pengaruh Ekspansi Linier Temperatur Material Terhadap Strain Gage [12] Kompensasi temperatur strain gage dirancang sedemikian rupa sehingga

T

pada

persamaan di atas dapat bernilai mendekati nol dengan cara mengendalikan koefisien perubahan hambatan oleh temperatur dari elemen hambatan strain gage ( ) yang sesuai dengan dengan koefisien ekspansi linear dari objek ukur. Parameter

dari elemen


hambatan dapat dikontrol dengan proses perlakuan panas (heat treatment) selama proses produksi foil. Ketika direkatkan pada material yang sesuai, kompensasi-temperatur strain gage dapat meminimalkan timbulnya strain pada jangkauan kompensasi temperatur hingga ±1,8 /°C (grafik di bawah menampilan keluaran regangan yang timbul dari 3-wire

strain gage KYOWA). Oleh karena setiap jenis strain gage diatur berdasarkan koefisien ekspansi linear dari material objek ukur, aplikasi strain gage pada jenis material lain tidak hanya dapat berakibat hilangnya kemampuan kompensasi temperatur tetapi juga dapat menimbulkan kesalahan pengukuran yang besar.

Gambar 3. 14 Grafik Karakteristik Suhu dari Kompensasi-Temperatur Foil Strain Gage [12] Tabel 3. 4 Koefisien Ekspansi Linier Berbagai Material[12]


III.1.10 Pengaruh Temperatur Terhadap Leadwire pada 2-Wire System Tabel 3. 5 Reciprocating Resistance dan Nilai Ekuivalen Strain yang Timbul Akibat Kenaikan Temperatur pada Leadwire [12]

Strain yang timbul akibat induksi termal

T

( /°C) diperoleh dengan pesamaan

sebagai berikut [12]:

εT =

r α ⋅ R g +r K s

Dimana,

[12]

Rg :

Hambatan dari strain gage ( )

rl :

Hambatan dari kabel kepala( )

Ks :

Gage faktor

:

Koefisien

hambatan

oleh

temperatur

dari

kabel

tembaga

( R/R/°C), 3,9*10-3

Gambar 3. 15 Rangkaian Strain Gage dengan Hambatan dalam pada Leadwire[12]


III.1.10.1 Metode Kompensasi Efek Temperatur dari Leadwire (3-wire system) Untuk memperoleh kompensasi-temperatur-mandiri yang efektif hendaknya menggunakan sistem 1-gage. Meskipun sudah tersedianya kemampuan kompensasitemperatur-mandiri dari strain gage, bila kabel kepala yang digunakan adalah sistem 2kabel, dan panjang kabel kepala relatif panjang, keluaran strain dari jembatan tetap akan dipengaruhi oleh efek temperatur yang terjadi pada kabel kepala. Sebagai contoh, tembaga digunakan untuk material kabel kepala, memiliki koefisien hambatan oleh temperatur sebesar 3,93*10-3/°C. Apabila luas penampang kabel 0,3mm2, hambatan dalam 0,062 /m, jarak strain gage ke sisi jembatannya 10m, maka panjang kabel adalah 20m. Efek temperatur yang diperoleh adalah setara strain sebesar 20x10-6 untuk setiap perubahan 1°C. Untuk menghindari efek temperatur tersebut maka diadopsi sistem 3kabel. Apabila 3 kabel kepala dihubungkan seperti yang terlihat pada gambar di bawah, setengah dari hambatan kabel kepala akan terdapat pada sisi sebelah dari jembatan Wheatstone, hal ini untuk mengkompensasi perubahan hambatan akibat temperatur dengan cara kedua sisi jembatan yang bersebelahan tersebut akan mengalami perubahan hambatan yang sama akibat perubahan temperatur, maka dari itu keluaran tegangan dari jembatan Wheatstone akan terbebas dari pengaruh temperatur pada kabel kepala. Pengaruh temperatur yang terhubung langsung pada amplifier dapat diabaikan karena pada amplifier tersedia impedansi masukan yang besar. Yang menjadi catatan penting dalam penggunaan sistem 3-kabel adalah ketiga buah kabel harus pada jenis, panjang dan penampang yang sama untuk memperoleh pengaruh temperatur yang sama. Apabila kabel tersebut terkena sinar matahari secara langsung, pembungkus kabel juga harus memiliki warna yang serupa.

Gambar 3. 16 Aplikasi 3-wire system[12] 92 Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008

III.1.11 Pengaruh dari Hambatan Material Insulasi

Hambatan dari material insulasi strain gage tidak akan mempengaruhi hasil

pengukuran apabila memiliki hambatan di atas 100M . Akan tetapi, apabila hambatan tersebut berkurang secara drastis pada saat pengukuran berlangsung, maka akan terdapat kesalahan pada hasil pengukuran.

Gambar 3. 17 Rangkaian Strain Gage dengan Hambatan Material Insulasi[12] Apabila hambatan insulasi berkurang dari r1 menjadi r2 seperti pada gambar di atas, kesalahan pada strain adalah:

ε=

R g (r1 − r2 )

[12]

K s r1 r2

Misalnya,

Rg = 120 (hambatan strain gage) Ks = 2,00 (gage factor) r1 = 1000M (hambatan insulasi awal) r2 = 10M (hambatan insulasi setelah berubah)

maka, kesalahan strain yang terjadi adalah mendekati 6 . Selama pengukuran strain kesalahan seperti ini akan tidak akan tampak. Pada aplikasinya, penurunan hambatan insulasi ini tidak akan memiliki nilai yang konstan, dan hambatan ini akan berubah secara tajam karena pengaruh temperatur dan kelembapan, serta pengaruh lingkungan lainnya. Adalah hal yang tidak mungkin untuk mengetahui insulasi bagian mana pada rangkaian yang mengalami penurunan hambatan. Oleh karena itu, tindakan preventif sangat perlu dilakukan.


III.1.12 Perubahan Hambatan Strain Gage Akibat Perekatan pada Permukaan Kurva Strain

c

yang timbul pada elemen hambatan akibat perekatan strain gage pada

permukaan kurva dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut [12]:

εc =

t 2r + t

Dimana,

[12] t: ketebalan dari strain gage ditambah ketebalan permukaan perekat (adhesive) r: jari-jari permukaan daerah perekatan

Gambar 3. 18 Strain Gage yang Direkatkan pada Permukaan Kurva [12]

III.1.13 Pengaruh Pemasangan yang Tidak Tepat (Missalignment) Strain

0

yang terukur oleh strain gage yang tidak tepat terpasang dengan sudut

penyimpangan dari arah prinsipal strain, dapat dirumuskan sebagai berikut [12]:

ε0 =

1 {(ε 1 + ε 2 ) + (ε 1 − ε 2 ) cos 2θ } 2

[12]

Apabila ε 2 = −vε 1 (v: Poisson’s ratio) pada kondisi menerima gaya pada satu sumbu saja,

1 2

ε 0 = ε 1 {(1 − v) + (1 + v) cos 2θ }

[12]

Gambar 3. 19 Strain Gage dengan Pemasangan yang Tidak Tepat [12]


III.1.14 Metode Kompensasi Panjang Kabel Kepala

Apabila panjang kabel kepala pada sistem 1-gage atau sistem 2-gage relatif

panjang (>1m), maka penambahan hambatan diinisiasikan secara seri pada strain gage, hal ini berakibat pada penurunan gage factor. Sebagai contoh, apabila kabel kepala dengan panjang 10m dan penampang 0,3mm2 digunakan, gage factor akan berkurang sebesar 1%. Pada aplikasi sistem 4-gage, penambahan panjang juga akan mengurangi tegangan keluaran jembatan. Pada kasus ini, strain yang sebenarnya terjadi dapat diperoleh dengan rumusan sebagai berikut:

ε = 1+

rl ×ε i Rg

Dimana,

i:

[12]

Strain terukur

Rg: Hambatan strain gage rl: Hambatan total dari kabel kepala Tabel 3. 6 Spesifikasi Berbagai Leadwire dan Reciprocating Resistance [12]

*pada sistem 3-kabel digunakan hambatan satu-arah (hambatan satu arah = 0.5*hambatan reciprocating)

III.1.15 Metode Kompensasi Ketidaklinieran pada Sistem 1-Gage

Ketidaklinearan yang melebihi spesifikasi pada pengukuran regangan yang relatif

besar dengan sistem 1-gage dapat dikompensasi melalui persamaan berikut untuk memperoleh regangan yang sebenarnya [12]:

ε=

ε0 (×10 −6 ) 1− ε 0

Dimana,

0:

[12]

regangan terukur


III.1.16 Metode Mendapatkan Besaran dan Arah dari Principal Stress (Rosette Analysis)

Apabila arah dari principal stress tidak diketahui dari sebuah pengukuran

tegangan pada suatu struktur, maka triaxial rosette gage lazim digunakan dan berbagai parameter dapat diperoleh dengan menggunakan nilai-nilai dari regangan yang terukur oleh rangkai strain gage ini. Langkah-langkah aplikasi rosette analysis adalah: 1. Tetapkan

a

b

c

sebagai arah urutan

2. Sudut adalah: Sudut dari regangan maksimum terhadap sumbu Sudut dari regangan minimum terhadap sumbu Perbandingan antara

a

dan

c

a a

bila

bila

a a

> c;

< c;

tetap memperhitungkan nilai positif dan

negatifnya.

Gambar 3. 20 Konfigurasi Pemasangan Strain Gage pada Rosette Analysis [12] Maximum principal strain

ε max =

[

{

1 ε a + ε c + 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2 2

Minimum principal strain

ε min =

[

{

1 ε a + ε c − 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2 2

}]

[12]

}]

[12]


Arah dari principal strain

θ=

2ε b − ε a − ε c 1 tan −1 2 εa −εc

[12]

Maximum shearing strain

γ max = 2{(ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2 }

[12]

Maximum principal stress

σ max =

[

{

}]

[12]

{

}]

[12]

E (1 + v)(ε a + ε c ) + (1 − v) 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2 2 2(1 − v )

Minimum principal stress

σ min =

[

E (1 + v)(ε a + ε c ) − (1 − v) 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2 2 2(1 − v )

Maximum shearing stress

τ max =

{

E 2 (ε a − ε b ) 2 + (ε b − ε c ) 2 2(1 − v)

}

[12]

v: Poisson’s ratio E: Young’s modulus

III.1.17 Metode Mendapatkan Nilai Kalibrasi dengan Tip Parallel Resistance

Ketika perpanjangan kabel kepala mencapai beberapa ratus meter atau untuk

memperoleh nilai kalibrasi yang tepat, penggunaan metode Tip Parallel Resitance adalah sangat tepat. Kalibrasi ini dilakukan untuk mengetahui nilai regangan sebenarnya yang dialami strain gage, hubungan antara tegangan keluaran e dengan regangan strain gage , untuk sistem 1-gage adalah ε =

4e . Nilai regangan yang diperoleh berdasarkan K sε

besarnya e dengan menggunakan persamaan diatas dapat memberikan nilai regangan yang tidak tepat, hal ini dapat disebabkan oleh pengaruh panjangnya kabel kepala, kesalahan arah pemasangan, hambatan insulasi dan faktor-faktor lain yang telah disebutkan di atas. Konsep Tip Parallel Resistance ini adalah dengan penambahan hambatan paralel pada strain gage, hambatan-total-paralel antara strain gage setelah


meregang dan resistor tambahan adalah sama dengan hambatan awal strain gage. Persamaannya adalah sebagai berikut:

1

=

R parallel

1 1 + R g + ∆R r

* R parallel = R g 1 1 1 = − r R g R g + ∆R r= r=

[12]

R g (R g + ∆R ) ∆R Rg K sε

Dimana,

Rg :

Hambatan dari strain gage

Ks :

Gage Factor dari strain gage

:

Nilai regangan kalibrasi

Gambar 3. 21 Tip Parallel Resistance untuk Kalibrasi Strain [12] Bila setelah dipasang resistor paralel tambahan dan sistem mengalami regangan, tegangan keluaran jembatan menunjukkan nilai nol, maka hal ini menunjukkan bahwa regangan yang dialami strain gage sebenarnya adalah sebesar nilai regangan kalibrasi.

Tabel 3. 7 Contoh dari Nilai Regangan Kalibrasi dan Hambatan Parallel Tambahan[12] (Rg = 120 , Ks = 2,00)


III.1.18 Metode Perekatan Strain Gage dan Dampproofing Treatment 1. Seperti

menggambar

lingkaran

dengan

sandpaper (#300), poles daerah perekatan

strain gage, daerah ini harus memiliki lebar yang lebih besar dari ukuran strain gage.

2. Dengan menggunakan katun mampu serap, atau kertas SILBON yang direndam pada pelarut highly volatile seperti aseton, dengan tekanan kuat usaplah daerah perekatan strain

gage pada satu arah saja. Pelarut ini akan dengan mudah menghilangkan minyak dan lemak. Arah pengusapan yang bolak-balik tidak akan membersihkan permukaan. Setelah dibersihkan, berikan tanda untuk posisi strain

gage. 3. Bedakan dan pastikan mana posisi depan (metal foil part) dan bagian belakang strain

gage. Berikan setitik adesif pada permukaan belakang dan segera mungkin letakkan strain

gage

pada

daerah

perekatan.

(Jangan

meratakan adesif pada permukaan belakang, apabila ini dilakukan proses pengeringan akan berlangsung jauh lebih cepat.) 4. Tutup

strain

gage

dengan

lembaran

polyethylene kemudian dengan kuat tekan

strain

gage

yang

tertutup

dengan


menggunakan jempol tangan selama kurang lebih 1 menit (jangan melepas tekanan sebelum 1 menit). Lakukan tahap 3 dan 4 secara cepat, jika tidak perekat akan segera kering. Ketika

strain gage telah terikat pada permukaan, jangan mencoba untuk mengangakatnya lagi guna mengatur posisi. 5. Ketika adesif sudah kering, lepaskan lembaran polyethylene dan cek kondisi cairan adesif. Idealnya, cairan adesif tersebut akan tersebar merata disekitar strain gage. 6. Apabila adesif tersebar sangat jauh dari strain

gage, hilangkan bagian yang jauh tersebut dengan cutter atau sandpaper. Letakkan kabel kepala strain gage dengan kondisi kendur. 7. Letakkan kabel kepala strain gage memanjang ke belakang. Letakkan sepotong coating agent di bawah kabel kepala dengan posisi kabel yang sedikit kendur. 8. Tutup strain gage, adesif yang mengelilingi, dan bagian kabel kepala dengan potongan coating agent yang lain. Jangan lupa untuk menekan potongan coating agent terlebih dahulu dengan jari sehingga lebih melebar dan dapat menutupi

strain gage dan bagian kabel kepala secara sempurna.

Gambar 3. 22 Metode Perekatan Strain Gage [12]


III.2 Konfigurasi Strain gage pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis

Gambar 3. 23 Skematik Konfigurasi Strain Gage Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis pada Semua Komponen Plate Gambar III.23 adalah konfigurasi strain gage pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis. Beberapa hal penting yang menjadi pertimbangan pemilihan konfigurasi di atas adalah: 1.

Konfigurasi jembatan Wheatstone yang dipilih untuk ketiga rangkaian adalah sistem 2-gage dengan susunan strain gage yang saling bersebelahan (Gambar

3.10). Sistem konfigurasi jembatan wheatstone seperti ini akan membantu mendeteksi besarnya strain yang terjadi akibat bending.

Tabel 3. 8 Tabel Deskripsi Sistem 2-Gage [28]

Adapun konfigurasi rangkaian elektronik jembatan wheatstone dari sistem pendeteksi gaya multi axis ditunjukkan pada gambar di bawah ini.


Gambar 3. 24 Rangkaian Elektronik Jembatan Wheatstone dari Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis 2.

Pada komponen plat baik itu arah sumbu x, maupun sumbu y, strain gage direkatkan di permukaan bawah plat dan masing-masing plat membutuhkan satu strain gage. Setiap satu sumbu memiliki dua stain gage dengan arah yang berbeda, hal ini dimaksudkan agar nilai keluaran voltage yang dikeluarkan dari rangkaian jembatan wheatsone akan saling menguatkan. Misalkan gaya datang dari arah sumbu x, plat strain gage pertama akan mendeteksi sebuah gaya compressive yang terjadi padanya, dan sebaliknya dengan plat strain gage yang kedua membaca gaya tensile. Dengan konfigurasi seperti ini, maka gaya compressive sama dengan gaya tensile.


F

SG1

SG2

Gambar 3. 25 Simulasi Gaya yang Datang terhadap Plat X atau Plat Y Pada contoh kasus Gambar 3.25 terlihat bahwa pada saat plat sumbu x menerima gaya dari arah x positif, pada bagian plat sg1 (strain gage 1) akan mengalami tekan, dan pada bagian plat sg2 (strain gage 2) akan mengalami tarik, sehingga strain yang dialami strain gage x1, dan strain gage x2,

2,

strain adalah sama,

1,

adalah bernilai positif

adalah bernilai negatif, sementara nilai absolut kedua

ε 1 = ε 2 . Sesuai persamaan yang berlaku pada

konfigurasi ini, yakni persamaan e =

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc , maka tegangan 4

keluaran, e adalah sama dengan dua kali ε yang ada. 3.

Tegangan eksitasi dari jembatan Wheatstone adalah 3,333volt, sesuai dengan spesifikasi dari Modul Pengkondisian Sinyal Strain Gage.

4.

Pada plat sumbu z, strain gage diletakkan pada sisi yang sama dari plat. Design stick mampu mengkompensasi pendeteksian gaya dari arah sumbu lain. Sisi kiri dan kanan dari plat secara teoritis akan mengalami bending

stress dan strain yang sama apabila terkena gaya yang searah sumbu z dan titik konsentrasi gaya berada tepat di tengah plate. F

SG1

SG2

Gambar 3. 26 Simulasi Gaya yang Datang terhadap Plat Z 5.

Untuk melengkapi dua buah sisi masing-masing jembatan Wheatstone yang belum terisi, maka dirangkaikan resistor variable yang memiliki jangkauan hambatan 0-200

di setiap sisi. Resistor ini berfungsi sebagai sarana untuk


melaksanakan

offset

nulling,

yakni

pengaturan

hambatan

untuk

menyeimbangkan jembatan Wheatstone saat pembebanan belum dilakukan.

III.3 Pengkondisian Tegangan Keluaran Jembatan Wheatstone pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis

Gambar 3. 27 Diagram Blok SCM5B38 [13] Peranti keras yang digunakan untuk pengkondisian sinyal pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis adalah SCM5B38-31 Strain Gage Input Module, yang merupakan produk dari DATAFORTH. Setiap SCM5B38-31 menyediakan sebuah channel untuk masukan strain gage dimana pengkondisian sinyal yang diberikan adalah filtering, isolasi, amplifikasi dan konversi menjadi tegangan keluaran analog tingkat tinggi (Gambar 3.27). Tegangan keluaran terkontrol dengan suatu logic swith, yang memungkinkan modul ini dapat berbagi satu analog bus dengan modul-modul yang lain tanpa memerlukan external multiplexers.

III.3.1 Tegangan Eksitasi

Modul pengkondisi sinyal strain gage menyediakan sumber tegangan yang

konstan untuk rangkaian jembatan Wheatstone. Tegangan eksitasi yang umum disediakan modul pengkondisi sinyal adalah 3,333 volt atau 10 volt. Pada aplikasi Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis, tegangan eksitasi yang diberikan adalah 3,333 volt. Dengan tegangan 104 Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008

eksitasi yang besar, maka tegangan keluar yang dihasilkan juga bertambah secara proporsional. Tegangan yang terlalu besar dapat mengakibatkan error yang besar akibat pemanasan pada elemen.

III.3.2 Amplifikasi

Keluaran tegangan dari rangkaian jembatan strain gage adalah sangat kecil. Pada

umumnya, tegangan keluaran dari jembatan strain gage adalah sekitar 10 mV/V (10mV tegangan keluaran untuk setiap 1V tegangan eksitasi). Dengan tegangan eksitasi sekitar 10V, maka tegangan keluaran adalah sekitar 100mV. Oleh karena itu, pengkondisian sinyal untuk strain gage pada umumnya menggunakan amplifier untuk meningkatkan resolusi pengukuran dan meningkatkan rasio sinyal terhadap gangguan (noise). Terdapat dua hal penting yang perlu diketahui dalam menganalisa rangkaian op amp, yakni: arus yang masuk pada terminal input op amp adalah nol dan beda tegangan di antara kedua input terminal juga nol. Penting untuk diingat, bahwa generalisasi Hukum Kirchoff untuk arus tidak berlaku pada op amp Gambar 3.28. Apabila arus input adalah nol bukan berarti arus output juga nol. Hal ini dapat terlihat lebih jelas pada Gambar III.31, dimana hubungan terhadap sumber daya diperlihatkan.

Maka dari itu, Hukum Kirchoff untuk arus tidak dapat

diaplikasikan pada terminal 3 Gambar 3.29, karena adanya terminal yang tidak terlihat, jadi kita tidak dapat mengetahui berapa arus output.

Gambar 3. 28 Operasional Amplifier dengan Sumber Daya [14] Perhatikanlah gambar di bawah ini. v2 adalah tegangan keluaran dari op amp dan, seperti yang kita lihat, adalah fungsi dari tegangan masukan v1 dan dua buah resistor.


Gambar 3. 29 Voltage-Controlled Voltage Source [14]

III.3.3 Filtering

Strain gage biasanya terletak di lingkungan yang banyak gangguan elektrikal.

Oleh karena itu, sangatlah penting untuk mengeliminasi gangguan tersebut sehingga dapat diperoleh keluaran yang tepat. Lowpass filters dapat digunakan bersebelahan dengan strain gage, komponen itu dapat menghilangkan gangguan frekuensi tinggi dan biasa diaplikasikan pada berbagai kondisi lingkungan.

III.3.4 Isolasi

Isolasi, adalah sebuah pengkondisian yang penting untuk menghindari efek dari

pembebanan elektrikal antara dua buah rangkaian atau sistem yang berdekatan [15]. Isolator adalah sebuah rangkaian yang memungkinkan sinyal ditransfer dari satu rangkaian ke rangkaian yang lain, sementara itu menjaga kedua rangkaian atau sistem terisolasi secara elektrik antara satu sama lain. Impedansi keluaran yang dihasilkan oleh rangkaian awal atau impedansi masukan yang diterima oleh rangkaian setelahnya dapat mengganggu transmisi sinyal diantara kedua rangkaian.

Gain dari isolator bernilai satu, keluaran dihubung singkat dengan noninverting terminal dari ap amp.


Gambar 3. 30 Isolator di antara Dua Rangkaian [15]

Gambar 3. 31 Isolator dengan OPAMP [15]

Gambar 3. 32 Prinsip Kerja optoisolation [15] Isolasi juga dapat dilakukan dengan menggunakan sinyal optik. Sinyal elektrik yang dihasilkan oleh rangkaian-1 pada Gambar 3.32 dikonversi menjadi sinyal optik oleh LED (Light Emitting Diode). Kemudian sinyal optik ini akan dikonversi kembali menjadi sinyal elektrik oleh photodevice seperti photodiode atau phototransistor dan proses isolasi dapat berlangsung.

III.3.5 Offset Nulling

Ketika rangkaian Jembatan Wheatstone telah terbentuk, maka dipastikan tegangan

keluaran yang dihasilkan adalah tidak sama dengan nol (e

0), meskipun tidak terjadi

regangan sama sekali pada strain gage. Variasi dari hambatan dari setiap sisi jembatan dan perbedaan hambatan dari masing-masing kabel dapat mengakibatkan tegangan keluaran awal yang tidak sama dengan nol. Offset nulling dapat dilakukan melalui dua cara, yakni melalui peranti keras atau pun peranti lunak. 1. Kompensasi peranti lunak Dengan metode kompensasi ini, nilai tegangan, yang keluar saat pertama kali sistem diberi tegangan eksitasi dan strain gage belum mengalami regangan, dijadikan besar 107 Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008

nilai offset untuk membuat nilai awal menjadi nol. Metode ini cukup sederhana, mudah, cepat dan tidak memerlukan pengaturan manual. Kerugian dari kompensasi peranti lunak ini adalah offset pada jembatan Wheatstone tidak dihilangkan. Apabila

offset yang terjadi cukup besar, hal ini dapat membatasi gain dari amplifier yang dapat diberikan pada tegangan keluaran, sehingga dapat mengurangi jangkauan dinamik penukuran. 2. Kompensasi peranti keras Proses stabilisasi untuk kompensasi offset dengan peranti keras adalah dengan menggunakan potensiometer, atau resistor variable. Dengan mengatur besar hambatan pada resistor variable yang menjadi elemen di salah satu sisi jembatan Wheatstone maka proses pengaturan tegangan keluarn jembatan dapat dilakukan hingga mendapatkan nilai nol.

III.3.6 Remote Sensing

Apabila rangkaian strain gage terletak jauh dari pengkondisi sinyal dan sumber tegangan eksitasi, terdapat kemungkinan terjadinya error yakni tegangan jatuh akibat hambatan pada kabel yang menghungkan jembatan dan sumber tegangan eksitasi. Modul pengkondisi sinyal terdapat kemampuan untuk melakukan remote sensing untuk mengkompensasi error ini. Kabel pendeteksi jarak jauh dihubungkan pada titik saat rangkaian jembatan dan sumber eksitasi terhubung. Kabel pendeteksi ekstra ini bertugas mengatur

besar

sumber

eksitasi

melalui

amplifier

feedback

negatif

untuk

mengkompensasi kerugian pada kabel dan mengirimkan tegangan yang tepat diperlukan untuk rangkaian jembatan. Pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis aplikasi ini tidak perlu digunakan mengingat panjang kabel yang digunakan antara rangkaian jembatan dan sumber eksitasi adalah sangat pendek (< 1m).

III.4 Tegangan Keluar Teoritis Tegangan keluaran teoritis diperoleh dari persamaan berikut :

e=

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc 4


Saat pembebanan maksimum 12N, untuk Daerah Pendeteksi Gaya Arah x, strain ( ) yang terjadi adalah 1,26·10-2, sementara tegangan eksitasi, Eexc, adalah 3,333volt,

Gage Factor strain gage,K , adalah 2,11. Maka tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone, e adalah 8,85·10-2. Saat pembebanan maksimum 12N, untuk Daerah Pendeteksi Gaya Arah y, strain ( ) yang terjadi adalah 1,26·10-2, sementara tegangan eksitasi, Eexc, adalah 3,333volt,

Gage Factor strain gage,K , adalah 2,11. Maka tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone, e adalah 8,85·10-2. Saat pembebanan maksimum 12N, untuk Daerah Pendeteksi Gaya Arah z, strain ( ) yang terjadi adalah 1,4·10-2, sementara tegangan eksitasi, Eexc, adalah 3,333volt, Gage

Factor strain gage,K , adalah 2,11. Maka tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone, e adalah 7,9·10-2.

Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu X 1,00E-01

Tegangan (Voltage)

8,00E-02 6,00E-02 4,00E-02

nilai teoitis

2,00E-02 -15

-10

0,00E+00 -5 0 -2,00E-02

Linear (nilai teoitis ) 5

10

15

-4,00E-02 -6,00E-02 -8,00E-02 Gaya (Newton)

Gambar 3. 33 Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu X


Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu Y 1,00E-01

Tegangan (Voltage)

8,00E-02 6,00E-02 4,00E-02

nilai teoitis

2,00E-02 -15

-10

0,00E+00 -5 0 -2,00E-02

Linear (nilai teoitis ) 5

10

15

-4,00E-02 -6,00E-02 -8,00E-02 Gaya (Newton)

Gambar 3. 34 Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu Y

Tegangan (Voltage)

Grafik Tegangan Keluaran Teoritis terhadap Beban pada Arah Sumbu Z

-20

2.00E-01 1.50E-01 1.00E-01 5.00E-02 0.00E+00 -10-5.00E-02 0 -1.00E-01 -1.50E-01 -2.00E-01

nilai teoritis 10

20

Linear (nilai teoritis)

Gaya (Newton)

Gambar 3. 35 Grafik Tegangan Keluaran Teoritis Terhadap Beban pada Arah Sumbu Z

III.5 Akuisisi Data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis III.5.1 Prinsip Operasi Akusisi Data pada Board DT3010

Proses akuisisi data pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis berfungsi untuk

mengkonversi sinyal analog yang keluar dari peranti pengkondisi sinyal strain gage menjadi sinyal digital yang dapat diproses lebih lanjut oleh komputer. Hardware yang digunakan untuk proses akuisisi data ini adalah board seri DT3010 produk dari Data 110 Proses manufaktur dan optimasinya..., Brianti Satrianti Utami, FT UI, 2008

Translation. Terdapat beberapa metode dan prosedur yang perlu dikonfigurasi untuk mendapatkan sebuah proses akuisisi data yang efektif dan efisien. Metode dan prosedur tersebut di antaranya adalah: 1.

Channel-gain list;

2.

Sumber A/D sample clock;

3.

Metode konversi input analog;

4.

Sumber trigger dan metode akuisisi trigger;

5.

Format data dan transfer.

Gambar 3. 36 Skematik DT3010 Board [16]

III.5.1.1 Channel-gain list Channel-gain list adalah susunan channels yang terhubung jembatan strain gage beserta gain yang digunakan untuk pembesaran nilai sinyal masukan. Sebagai informasi, berikut adalah channel-gain list yang digunakan pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis:


Tabel 3. 9 Contoh dari Nilai Regangan Kalibrasi dan Hambatan Parallel Tambahan [16] Entry 0

Channel Gain 0 8

Keterangan Berkorelasi dengan jembatan strain gage pendeteksi gaya arah sumbu 2 (sumbu x) end effector

1

1

8

Berkorelasi dengan jembatan strain gage pendeteksi gaya arah sumbu 3 (sumbu x) end effector

2

2

8

Berkorelasi dengan jembatan strain gage pendeteksi gaya arah sumbu 4 (sumbu y) end effector

3

3

8

Berkorelasi dengan jembatan strain gage pendeteksi gaya arah sumbu 5 (sumbu y) end effector

4

4

8

Berkorelasi dengan jembatan strain gage pendeteksi gaya arah sumbu 1 (sumbu z) end effector

III.5.1.2 Sumber A/D Sample Clock Seri DT3010 board menyediakan dua buah sumber sample clock untuk mengiringi operasi input analog pada continuous mode, yaitu: 1. A/D sample clock internal yang menggunakan 24-bit A/D Counter pada board, dan 2. A/D sample clock eksternal yang dapat dihubungkan dengan panel screw terminal.

A/D sample clock ini berfungsi mengiringi input analog untuk kemudian mengakuisisi data dari setiap channel pada channel gain-list. Clock ini dapat juga disebut sebagai A/D

pacer clock. Sumber A/D sample clock pada proses akuisisi data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis menggunakan jenis A/D Sample Clock internal karena sumber sample clock yang berasal dari board ini dirasa cukup memadai dan praktis tanpa memerlukan tambahan perangkat keras baru.


III.5.1.3 Sumber A/D Sample Clock internal Berdasarkan teori sampling (teori Nyquist), spesifikasi frekuensi sampling paling rendah adalah dua kali frekuensi tertinggi dari suatu komponen sinyal input. Sebagai contoh, untuk melakukan sampling yang akurat terhadap sinyal berfrekuensi 20kHz, maka spesifikasi untuk frekuensi sampling terendah adalah 40kHz. Dengan melakukan hal ini berarti proses sampling dapat terhindar dari kondisi error yang dinamakan

aliasing, dimana komponen input berfrekuensi tinggi tampak sebagai komponen berfrekuensi rendah setelah proses sampling.

III.5.1.4 Metode Konversi Input Analog DT3010 menyediakan beberapa metode konversi sinyal analog sebagai berikut: 1. Operasi single-value Metode ini cukup sederhana dalam organisasi buffer, akan tetapi memiliki fleksibilitas dan efisiensi yang rendah. Cara penggunaannya cukup mendefinisi range,

gain, analog input channel kemudian mengakuisisi data dari channel dan mengkonversi hasil, setelah itu data akan ditampilkan dengan segera. Dengan metode ini, tidak perlu untuk menspesifikasi sumber clock, trigger, metode akuisisi trigger, metode scan maupun buffer. Operasi single-value akan berhenti dengan sendirinya apabila proses telah selesai, operator tidak dapat menghentikan proses ini. 2. Metode scan Metode ini memungkinkan pengguna untuk mengoptimalkan kemampuan dari

board seri DT3010 karena akan banyak fitur yang dimanfaatkan. Terdapat dua metode scan, yakni continuously-paced scan dan triggered scan. Dengan menggunakan peranti lunak, operasi scan dapat dihentikan dengan metode yang teratur, bukan dengan metode berhenti seketika (misal: saat kehilangan daya). Pada proses berhenti teratur, peranti keras akan berhenti untuk mendapatkan sederetan samples dan menghentikan akuisisi, mentransfer data yang didapat pada host

memory, dan seluruh trigger akan dihiraukan. Pada konfigurasi proses akuisisi data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis metode yang digunakan adalah metode continuously-paced scan, karena metode inilah yang


paling sesuai dengan kebutuhan untuk mengakuisi data secara berkelanjutan dan real-

time.

III.5.1.5 Metode Continuously-Paced Scan Metode ini memungkinkan untuk mengontrol secara akurat periode antara konversi dari masing-masing channel. Saat mendeteksi trigger, board akan mengambil data mengenai channel dan gain pada channel-gain list, memperoleh dan mengkonversi nilai dari setiap entry yang berkorelasi dengan channel yang telah ditetapkan pada channel-gain list, proses ini disebut sebagai scan. Setelah seluruh entry diproses, maka board akan akan melakukan proses wrap yakni kembali pada entry pertama untuk melakukan proses scan kembali. Proses akan berlangsung terus-menerus hingga seluruh alokasi buffer terisi atau adanya perintah stop dari pengguna. Laju konversi dipengaruhi oleh frekuensi dari A/D sample clock. Laju sampling, yakni laju dimana sebuah entry pada channel-gain list dilakukan proses sampling, parameter ini ditentukan oleh besar frekuensi A/D sample clock dibagi jumlah entry pada

channel-gain list. Metode continuous-paced scan memerlukan sebuah sumber initial

trigger,

dimana sumber initial trigger ini dapat dikonfigurasi sesuai dengan metode akuisisi

trigger yang digunakan.

III.5.1.6 Triggers Trigger adalah sebuah kejadian yang muncul berdasarkan suatu kondisi spesifik. Seri DT3010 menyediakan beberapa metode sumber trigger dan metode akuisisi trigger, berikut adalah penjelasan singkatnya.

Sumber Trigger DT3010 menyediakan beberapa sumber trigger, diantaranya adalah: 1. Software trigger; 2. External digital (TTL) trigger; 3. Analog threshold trigger.

Metode Akuisisi Trigger


Seri DT3010 mampu memperoleh data dengan menggunakan metode post-

trigger, pre-trigger, atau about-trigger. Post-trigger adalah metode yang mengatur agar board mengakuisisi data setelah trigger muncul, pre-trigger adalah metode yang mengatur agar board mengakuisisi data sebelum kemunculan suatu kejadian eksternal spesifik (misal kemunculan suatu post-trigger), sementara itu about-trigger adalah metode yang mengatur board agar mengakuisisi data sesudah dan sebelum suatu kejadian eksternal spesifik. Perancangan sistem akuisisi data pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis menggunakan sumber software trigger karena sudah cukup untuk memenuhi kebutuhan akuisisi data yang sederhana dan tidak ada ketergantung oleh komponen lain. Software

trigger akan muncul dengan sendirinya ketika operasi analog input dijalankan (komputer akan memberikan perintah pada board untuk memulai konversi). Sementara itu metode akuisisi trigger yang digunakan adalah pre-trigger yang bersumber pada software.

A/D Sample Clock Board secara kontinyu mengakuisisi data

Pre-trigger muncul

Gambar 3. 37 Metode continuous pre-trigger [16] Gambar di atas mengilustrasikan metode continuous pre-trigger pada sistem akuisisi data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis. Pre-trigger akan muncul dengan sendirinya saat software dijalankan, kemudian board akan mulai mengakuisisi data. Konversi A/D dimulai setiap falling edge dari output A/D sample clock. Board akan terus melakukan proses wrap untuk kembali memproses entry pertama (channel 0) pada

channel-gain list setelah mengakuisisi entry terakhir (channel 2) dan proses ini akan berlangsung secara kontinyu.


III.5.1.7 Format Data dan Transfer Untuk merepresentasikan sinyal unipolar, DT3010 menggunakan data binary 000 untuk 0 volts dan FFFh untuk tegangan skala penuh. Sementara itu untuk merepresentasikan sinyal bipolar, DT3010 menggunakan offset binary data encoding, yakni menggunakan data 000 sebagai tegangan negatif skala penuh dan FFFh sebagai tegangan positif skala penuh.

Board mengemas dua input sample, yakni sampel ganjil dan sampel genap. Sampel yang berkorelasi dengan entry 0, 2, 4 dan seterusnya akan tergolong sampel genap, sementara sisanya, entry 1, 3, 5, dan seterusnya akan tergolong sampel ganjil. Menggunakan PCI bus, board akan mentrasfer data analog input ke 256 KB circular

buffer yang disediakan oleh harddisk komputer. Board akan memperlakukan buffer ini sebagai dua blok memori berukuran 128 KB.

Device Driver dari DT3010 akan mengakses circular buffer untuk mengisi nilai buffer yang dialokasikan di software. Direkomendasikan untuk menggunakan minimum tiga buah buffer untuk operasi input analog. Berikut adalah buffer wrap mode yang tersedia: 1.

None – Apabila wrap mode adalah none, maka data akan diberikan ke alokasi buffer hingga tidak ada lagi buffer yang kosong, kemudian operasi akan berhenti.

2.

Multiple – Apabila wrap mode adalah multiple, maka data akan diberikan ke alokasi multiple buffer secara kontinyu, ketika tidak ada lagi buffer yang tersedia, board akan melakukan overwrite pada data yang telah terisi, dimulai dari lokasi pertama dari buffer pertama. Proses ini akan terus-menerus berulang hingga diberhentikan oleh operator.

3.

Single – Apabila wrap mode adalah single, data akan diberikan ke alokasi single buffer secara kontinyu, ketika tidak ada lagi buffer yang tersedia, board akan melakukan overwrite pada data yang telah terisi, dimulai dari lokasi pertama dari buffer pertama. Proses ini akan terus-menerus berulang hingga diberhentikan oleh operator.


Buffer wrap mode yang digunakan pada sistem akusisi data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis adalah jenis multiple, hal ini disesuaikan dengan jenis operasi kontinyu dengan jumlah channel yang lebih dari satu.

III.5.2 Rangkuman Konfigurasi Akusisi Data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis

Berikut adalah rangkuman konfigurasi yang digunakan dalam sistem akuisisi data

pada alat Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis:

Tabel 3. 10 Konfigurasi Akuisisi Data Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis No

Kategori

Spesifikasi

Keterangan

1

Resolusi

12 bit

Spesifikasi standar DT3010

2

3

Channel-Gain List

Sumber A/D sample

Entry 0

Channel 0 gain 8

Entry 1

Channel 1 gain 8

Entry 2

Channel 2 gain 8

Entry 3

Channel 3 gain 8

Entry 4

Channel 4 gain 8

Internal

Spesifikasi standar

clock 4

Frekuensi A/D sample

DT3010 1000 Hz

Kelipatan jumlah entry

clock 5

Metode konversi input

Continuously-

analog

Paced Scan

6

Sumber trigger

Software

7

Metode akuisisi trigger

Pre-trigger

8

Format data

bipolar

- 5 volt s/d 5 volt

8

Jumlah buffer

4

Harus lebih dari 3

9

Buffer wrap mode

multiple


BAB III SENSOR, PENGKONDISIAN SINYAL DAN AKUISISI DATA

Recommend Documents