1_PENDAHULUAN FI365 SISTEM INSTRUMENTASI. Program Studi Fisika. Waslaluddin, dkk

1_PENDAHULUAN FI365 – SISTEM INSTRUMENTASI Program Studi Fisika

Waslaluddin, dkk

PENDAHULUAN

FI 365 SISTEM INSTRUMENTASI

ISI KULIAH

1

Definisi dan Terminologi Prinsip Transduksi Fisika dan Kimia Klasifikasi Sensor Perkembangan Sensor


PENDAHULUAN

2

DEFINISI DAN TERMINOLOGI

PENDAHULUAN


DEFINISI

3

to sense : merasakan Sensor adalah suatu perangkat (device) atau sistem (sensor system) yang dapat merasakan suatu besaran fisika, kimia atau biologi dan merespon besaran tersebut dalam bentuk besaran fisika, kimia atau biologi lainnya atau mengkonversi besaran yang dirasakan menjadi besaran lainnya.

Sensor head

Transducer adalah suatu perangkat (device) dapat mengubah (to convert) suatu energi atau besaran fisika, kimia atau biologi ke bentuk energi atau besaran lainnya

Energy Converter atau Modifier

PENDAHULUAN


DEFINISI

4

Radiasi

Radiasi

Kimia

Mekanik

Kimia

Mekanik

Magnetik

Termal

Magnetik

Termal

Elektrik

Elektrik

PENDAHULUAN


DEFINISI

5

Transduser: Sensor dan Aktuator

Sensor : Sebagai transduser input

misal : microphone, thermocouple, RTD, pitot tube dsb

Aktuator : Sebagai transduser output

misal : loud speaker, control valve, damper, motor listrik dsb

PENDAHULUAN


DEFINISI

Sistem

Kombinasi dua atau lebih elemen, subsistem atau bagian yang diperlukan untuk menghasilkan suatu fungsi Untuk berinteraksi dengan lingkungan (real world) suatu sistem memerlukan

Sensor merespon dalam bentuk sinyal yang dapat diproses lebih lanjut seperti

6

Sensor : perangkat input Aktuator : perangkat output Pemroses : sinyal informasi dan pengetahuan

Amplifikasi, pemfilteran, transmisi, pemrosesan dan displai

PENDAHULUAN


DEFINISI

7

Sensor, sistem sensor atau transduser merupakan antar muka (interface) antara besaran-besaran fisika pada fenomena alam, proses, mesin, lingkungan dan sebagainya ke suatu sistem pengukuran, monitoring dan pengontrolan

Variabelvariabel fisika, kimia atau biologi

Sensor atau Sistem Sensor

Variabelvariabel fisika, kimia atau biologi

(umumnya besaran listrik seperti arus atau tegangan)

PENDAHULUAN


DEFINISI

8

Measurement

The process of comparing an unknown quantity with a standard of the same quantity or standard of two or more related quantities

Measurement Science

the systematic study and organization of the methods by which INFORMATION is gathered from the PHYSICAL world

PENDAHULUAN


DEFINISI

9

Instrument Engineering

the systematic design and manufacture of reliable, cost effective measuring instrumentation that fulfills a given measurement specification

PENDAHULUAN


Intelligent Sensor

Intelligent

Kemampuan untuk mengkombinasikan

Intelligent sensor system

Suatu sistem sensor yang memiliki kemampuan menyimpan informasi sebelumnya dan adaptasi menyesuaikan dengan keadaan yang saat ini dan akan datang Beberapa definisi yang ada

A sensor that is capable of modifying its internal behavior to optimize the collection of data from the external world [Whi97]

10

A priori knowledge (available before experience) & Adaptive learning (from experience)

Konsep adaptasi dan kompensasi adalah sentral filosofi sensor cerdas

Suatu perangkat yang mengkombinasikan suatu elemen sensor dan pemroses sinyal pada suatu IC tunggal [PY95a] Sensor cerdas adalah suatu sensor yang memiliki fungsi yang diperlukan untuk menghasilkan representasi yang benar besaran yang dideteksi atau besaran yang dikontrol [1451.2][Fnk00]

PENDAHULUAN


Prinsip Sub-sistem dalam suatu Sistem Sensor Cerdas [BW96]

11

Elemen primer (primary sensing elements) Kontrol eksitasi Amplifikasi Pemfilteran analog Konversi data Kompensasi Pemrosesan informasi digital Pemrosesan komunikasi digital

PENDAHULUAN


Prinsip Sub-sistem dalam suatu Sistem Sensor Cerdas [BW96]

12


PENDAHULUAN

E-nose

13


PENDAHULUAN

14

PRINSIP TRANSDUKSI FISIKA DAN KIMIA

PENDAHULUAN

Transduksi: Pengubahan dari satu energi ke energi lain D I R E C T

energi termal energi elektrik energi mekanik energi elektrik energi radiasi energi elektrik energi magnetik energi elektrik energi kimia energi elektrik

Radiasi

Kimia C O M P L E X

Mekanik

energi kimia energi mekanik energi elektrik

Magnetik

Termal

energi mekanik energi termal

15


DEFINISI

energi elektrik

Elektrik

PENDAHULUAN


SINYAL DOMAIN ENERGI

16

Mekanik : L, A, V, v, ω, a, m, F, P, Torsi, aliran, viskositas Termal

: Temp (T), Cp, aliran kalor, keadaan materi

Elektrik : V, I, Q, R, L, C, E, ε. Magnetik : H, B, Φ, χ, µ, dipol momen (µ µm). Radiasi

: Warna, Int., T, R, A, refraktif indeks (n), koef. ekst.(k)

Kimia

: Komposisi (xA), C, kec. reaksi (R), pH, humiditas

PENDAHULUAN


TRANSDUKSI KE PENGLIHATAN (E. RADIASI)

17

thermometers: temperature (T) panjang (L)

barometers:

tekanan udara (P) panjang (L)

scales:

berat/massa (m) sudut (θ)

kelembaban:

puntiran rambut (τ) sudut (θ)

indicator dyes:

konsentrasi kimia (C) warna

photo film:

intensitas radiasi (I) kepekatan Ag (ρ)

speedometers: kecepatan (v) sudut (θ)

……??…..

……??……. ……??……..

PENDAHULUAN


TRANSDUKSI KE ELEKTRIK

18

Thermistor

: temperature resistance

Electrochemical

: chemistry voltage

Photocurrent

: light intensity current

Pyroelectric

: thermal radiation voltage

Humidity

: humidity capacitance

Length (LVDT)

: displacement inductance

Microphone

: sound pressure ……???

PENDAHULUAN


Physical effect: signal energy conversion

19

PENDAHULUAN


loop

SENSE – THINK - ACT

m e a s u r a n d

measure in volts, amps, ohms, henrys, farads, etc.

transduce perception to electrical signal

SENSOR

ADC

ACTUATOR transduce signal to heat, displacement, illumination, etc

DAC

20

convert from signal to symbol

Transducer

compute control action

convert from symbol to signal

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI

21

Capacitance

q C= V

l

C=

εo A

d 2π ε o l = ln (b / a )

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI

22

Contoh : Level sensor (physical)

h

V

2π ε o H Co = ln (b / a ) εo,r , b, a, H constant

2π [ε o (H − h ) + ε r h] C= ln (b / a )

h

C

V

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI Contoh : Occupancy sensor (physical)

x

x

Csg, Cog: constant

x

23

V

Cso

V

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI

24

Resistance

A

l

R(ρ , l, A) =

R=

ρ (T ) l A

ρl

A ∆R ∆ρ ∆l ∆A = + − R ρ l A

V = i.R

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI

25

Contoh : Level sensor (physical) h

R=

V

ρ (T ) l A

h

h d

R

V

V = i.R

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI Contoh : Force sensor (physical) F

l

F σ

26

R=

V

l

R

V

ρ (T ) l A

V = i.R

∆l F σ =E = l a l l2 R=ρ =ρ a V ∆R ρ =2 l V ∆l

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI Contoh : Temperature sensor (physical) T

bimetal

ρ (T ) l A

V = i.R

l2 l1 l 2 = l 1 [1 + α (T2 − T1 )]

T α

27

R=

V

l

R

V

l l2 R=ρ =ρ a V

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI Contoh : Gas sensor (chem.) C CCO

σ = qnµ e

l 1 l R=ρ = A σ w.t

t

w

CCO q

28

R

σ

R

PENDAHULUAN


PRINSIP TRANSDUKSI

29

Contoh : Humidity sensor (chem.) %H2O

%H2O

Z

C2, R2, C3, R3 constant

Z = R1 + jωC

%H2O pore

C1, R1

Z


PENDAHULUAN

30

KLASIFIKASI SENSOR


PENDAHULUAN

31

KLASIFIKASI SENSOR

Proprioception (Internal state) v.s. Exteroceptive (external state) measure values internally to the system (robot), e.g. battery level, wheel position, joint angle, etc, observation of environments, objects

Active v.s. Passive emitting energy into the environment, e.g., radar, sonar passively receive energy to make observation, e.g., camera

Contact v.s. non-contact

Visual v.s. non-visual vision-based sensing, image processing, video camera

PENDAHULUAN


Proprioceptive Sensors

Encoders, Potentiometers

Gyroscopes

measure which way is north

GPS

32

measure rate of change of angles fiber-optic (newer, better), magnetic (older)

Compass

measure angle of turn via change in resistance or by counting optical pulses

measure location relative to globe

PENDAHULUAN


Classification of Sensors

33

• Stimulus : physical, chemical & biological measurand (energy) • Transduction effects : Active (self-generating) vs Pasive (modulation) • Scale of measured properties : scale of measurands

• Sensing constraints : ways of measurement • Field of applications : e.g. automotive, industrial, robotic, etc. • Materials

PENDAHULUAN


Stimulus

34

Radiasi Kimia

Mekanik

Magnetik

Termal

Elektrik

Sensor

Sensor measurand

output signal

output signal

measurand

power supply

PENDAHULUAN


Transduction effect

35

PENDAHULUAN


Transduction effect

36

PENDAHULUAN


Scale of measurands

37

PENDAHULUAN


Sensing constraints

38

PENDAHULUAN


Radiant Sensors

39

Electromagnetic Spectrum

Visible Spectrum 700 nm

400 nm

PENDAHULUAN


Radiant Sensors

40

Electromagnetic Spectrum

Light Sensors • Photodiodes • Phototransistor • Photoresistors • Cooled Detectors • Thermal Detectors • Golay Cells • Thermopile Sensors • Pyroelectric Sensors • Bolometers • Active Far-Infrared Sensors • Gas Flame Detectors

Radiation Sensors • Scintillating Detectors • Ionization Detectors • Ionization Chambers • Proportional Chambers • Geiger–Müller Counters • Semiconductor Detectors

PENDAHULUAN


Mechanical Sensors

41

Occupancy and Motion Detectors • Ultrasonic Sensors • Microwave Motion Detectors • Capacitive Occupancy Detectors • Triboelectric Detectors • Optoelectronic Motion Detectors • Visible and Near-Infrared Light Motion Detectors & Far-IR Motion Detectors

Position, Displacement, and Level • Potentiometric Sensors • Gravitational Sensors • Capacitive Sensors • Inductive and Magnetic Sensors • LVDT and RVDT • Eddy Current Sensors & Transverse Inductive Sensor • Hall Effect Sensors & Magnetoresistive Sensors • Optical Sensors • Optical Bridge & Proximity Detector with Polarized Light • Fiber-Optic Sensors & Fabry–Perot Sensors • Grating Sensors & Linear Optical Sensors (PSD) • Ultrasonic Sensors • Radar Sensors : Micropower Impulse Radar & Ground-Penetrating Radar • Thickness and Level Sensors : Ablation & Thin-Film & Liquid-Level Sensors

PENDAHULUAN


Mechanical Sensors

42

Velocity and Acceleration • Capacitive Accelerometers • Piezoresistive Accelerometers • Piezoelectric Accelerometers • Thermal Accelerometers • Heated-Plate Accelerometer • Heated-Gas Accelerometer • Gyroscopes • Rotor Gyroscope • Monolithic Silicon Gyroscopes • Optical Gyroscopes

Force, Strain, and Tactile Sensors • Strain Gauges • Tactile Sensors . • Piezoelectric Force Sensors

Pressure Sensors • Mercury Pressure Sensor • Piezoresistive Sensors • Capacitive Sensors . • VRP Sensors • Optoelectronic Sensors • Vacuum Sensors • Pirani Gauge • Ionization Gauges • Gas Drag Gauge

PENDAHULUAN


Mechanical Sensors

43

Flow Sensors • Thermal Transport Sensors • Ultrasonic Sensors • Electromagnetic Sensors • Microflow Sensors • Breeze Sensor • Coriolis Mass Flow Sensors • Drag Force Flow Sensors Acoustic Sensors • Resistive Microphones • Condenser Microphones • Fiber-Optic Microphone • Piezoelectric Microphones • Electret Microphones • Solid-State Acoustic Detectors

PENDAHULUAN


Temperature Sensors • Thermoresistive Sensors • Resistance Temperature • Silicon Resistive Sensors • Thermistors • NTC Thermistors • Self-Heating Effect in NTC Thermistors • PTC Thermistors • Thermoelectric Contact Sensors • Semiconductor P-N Junction Sensors • Optical Temperature Sensors • Fluoroptic Sensors • Interferometric Sensors • Thermochromic Solution Sensor • Acoustic Temperature Sensor • Piezoelectric Temperature Sensors

44

PENDAHULUAN


Magnetic Sensors Direct Sensors • Metal-Oxide Chemical Sensors • ChemFET

Complex Sensors

• Electrochemical Sensors

• Thermal Sensors

• Potentiometric Sensors

• Pellister Catalytic Sensors

• Conductometric Sensors

• Optical Chemical Sensors

• Amperometric Sensors

• Mass Detector

• Enhanced Catalytic Gas Sensors

• Biochemical Sensors

• Elastomer Chemiresistors

• Enzyme Sensors

Humidity and Moisture Sensors • Capacitive Sensors • Electrical Conductivity Sensors • Thermal Conductivity Sensor • Optical Hygrometer

45

• Oscillating Hygrometer

PENDAHULUAN


Chemical Sensors

46

Direct Sensors • Metal-Oxide Chemical Sensors • ChemFET • Electrochemical Sensors • Potentiometric Sensors • Conductometric Sensors • Amperometric Sensors • Enhanced Catalytic Gas Sensors • Elastomer Chemiresistors

Complex Sensors • Thermal Sensors • Pellister Catalytic Sensors • Optical Chemical Sensors • Mass Detector • Biochemical Sensors • Enzyme Sensors

Humidity and Moisture Sensors • Capacitive Sensors • Electrical Conductivity Sensors • Thermal Conductivity Sensor • Optical Hygrometer • Oscillating Hygrometer


PENDAHULUAN

47

PERKEMBANGAN TEKNOLOGI SENSOR


PENDAHULUAN

48

PENDAHULUAN


Multisensor integration and fusion

49

1_PENDAHULUAN FI365 SISTEM INSTRUMENTASI. Program Studi Fisika. Waslaluddin, dkk

Recommend Documents