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) sebagai reaksi dari gaya yang diberikan kepadanya. Sebanding dengan tegangan, potongan melintang dari material akan berkontraksi dan bertambah panjang sebesar ∆L dari panjang material mula-mula L.

Gambar III. 1 Batang yang Mengalami Tarik dan Tekan [12] Rasio dari pertambahan panjang dengan panjang mula-mula disebut tensile strain dan dirumuskan sebagai berikut:

ε=

ΔL L

(III.1)

ε

: Strain

L

: Panjang mula-mula

66 Optimasi desain pada..., Nurdian Kartika Sari, FT UI, 2008

∆L

: Pertambahan panjang

Perhatikan gambar bagian bawah dari Gambar III.1. Apabila material menerima gaya tekan (compressive force), maka material akan mengalami compressive strain yang dirumuskan sebagai berikut:

ε=

− ΔL L

(III.2)

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

ε=

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

(III.3)

Strain adalah bilangan absolut dan dituliskan dengan nilai numeriknya beserta ×10-6 strain, µ ε atau µm/m. Hubungan dari stress dan strain yang diinisiasikan pada sebuah material yang menerima gaya dirumuskan oleh hukum Hooke sebagai berikut:

σ = Eε

(III.4)

σ

: Stress

E

: Elastic modulus

ε

: 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=

ε2 ε1

(III.5)

v

: Poisson’s ratio

ε1

: Longitudinal strain

ΔL ΔL (Gambar III.1) atau − L L


ε2

: Transverse strain

ΔD ΔD atau − (Gambar III.1) D D

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

III.1.2 Prinsip Kerja Strain Gage Setiap material memiliki hambatan tersendiri. Sebuah gaya tarik (gaya tekan) akan menambah (mengurangi) hambatan dengan menambah panjang (mengkontraksi) material. Misalkan hambatan mula-mula adalah R dan strain kemudian terjadi perubahan hambatan sebesar ∆R, sehingga persamaan menjadi : ΔR ΔL = Ks = Ks ⋅ ε R L

(III.6)

Dimana, Ks adalah gage factor, sebuah koefisien yang mengekspresikan sensitivitas dari strain gage. Pada umumnya strain gage menggunakan copper-nickel atau nickelchrome 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 [15] : 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 III. 2Jenis-Jenis Strain Gage Berdasarkan Konfigurasinya[15] Secara garis besarnya klasifikasi strain gage sebagai berikut : Tabel III. 2 Tabel Klasifikasi Strain Gage Material Elemen Resistif

Foil Wire

strain strain

gage gage

(Cu-Ni

alloy,

Ni-Cr

aIIoy,

etc.)

(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 berlikuliku 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 III. 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 (Ω) 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 − R 2 R 4 ⋅E (R1 + R2 )(R3 + R4 ) exc

(III.7)

Misalkan hambatan R1 adalah strain gage dan berubah besarannya sebanyak ∆R akibat strain. Maka, tegangan keluaran adalah, e0 =

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

Apabila, R1 = R2 = R3 = R4 = R, e0 =

R 2 − RΔR − R 2 ⋅E (2 R + ΔR )2 R exc

Sejak R dianggap jauh lebih besar dari nilai ∆R, e0 =

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

(III.8)

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 III. 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 III.5, III.6 dan III.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 III.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 III.5 (b) harus digunakan.

(a)

(b)

Gambar III. 5Konfigurasi 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 III.6 (a) dan Gambar III.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)

Gambar III. 6 Konfigurasi Sistem 2-gage [12]

III.1.6.3 Sistem 4-gage Perhatikan Gambar III.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.

Gambar III. 7 Konfigurasi Sistem 4-gage [12]


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:

σ = ε0 ⋅ E Strain ε0 diperoleh dengan persamaan sebagai berikut:

ε0 =

6WL Ebh 2

Dimana,

(III.9) b

: Lebar dari batang

h

: Tebal dari batang

L

: Jarak dari titik beban ke bagian tengah strain gage

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

III.1.7.1 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 III.6 (a). Keluaran tegangan yang terjadi pada rangkaian ini adalah [12]: e=

1 ⎛ ΔR1 ΔR2 ⎞ ⎜ ⎟ E exc − 4 ⎜⎝ R1 R 2 ⎟⎠

atau, e =

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc 4

(III.10)

Sementara itu, metode kedua adalah untuk kasus pemasangan sesuai dengan Gambar III.5 (b), keluaran tegangan yang terjadi adalah [12]:


e=

1 ⎛ ΔR1 ΔR2 ⎞ ⎜ ⎟ E exc + 4 ⎜⎝ R1 R 2 ⎟⎠

atau, e =

1 K (ε 1 + ε 2 )E exc 4

(III.11)

Berdasarkan rumusan di atas dapat dikatakan bahwa, strain yang dihasilkan oleh

strain

gage

mengurangi/menambah

kedua

akan

strain

yang

dihasilkan oleh strain gage pertama, bila pemasangan kedua strain gage berada pada sisi yang bersebelahan/berlawanan. Sistem 2-gage umum digunakan

Gambar III. 9 Aplikasi sistem konfigurasi 2-gage pada batang [12]

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,

Gambar III. 10 Sistem 2-gage konfigurasi 1 [12]

seperti

yang

terlihat

pada

gambar. Kedua strain 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 Gambar III. 10

regangan tarik (positif) dan strain gage 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.


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

(III.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 (ε1- ε2). 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 4

gage 1, sehingga diperoleh keluaran tegangan dengan nilai dua kali lipat. Oleh karena itu, rangkaian seperti Gambar III.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

(III.13)

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 III.11 dapat menghilangkan pengaruh bending strain, akan tetapi tetap mampu mengukur tensile strain.

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


III.1.7.2 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 ⎛ ΔR1 ΔR2 ΔR3 ΔR 4 ⎞ ⎜ ⎟ E exc − + − 4 ⎜⎝ R1 R2 R3 R 4 ⎟⎠

(III.14)

Gambar III. 12 Sistem 4-gage [12] Apabila strain gage pada keempat sisi memiliki spesifikasi yang serupa, termasuk gage factor, K, dan menerima strain masing-masing ε1, ε2, ε3, dan ε4, maka persamaan (III.14) menjadi: e=

1 ⋅ K (ε 1 − ε 2 + ε 3 − ε 4 )E exc 4

(III.15)

III.1.8 Strain pada Batang Strain εo pada batang diperoleh dengan menggunakan persamaan

εo = Dimana,

M ZE M: Z: E:

(III.16) Bending moment Section modulus Young’s modulus

Tabel III. 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 βs dan βg. Maka, strain gage yang dilekatkan pada permukaan dari objek akan mengalami strain yang diinduksikan oleh perubahan tempertur sebesar εT per 1°C dan dapat dirumuskan oleh persamaan berikut ini [12]:

εT =

α Ks

+ (β s − β g )

(III.17)

Dimana, α:

Koefisien perubahan hambatan oleh temperatur dari elemen hambatan

Ks:

Gage faktor dari strain gage

Gambar III. 13Pengaruh Ekspansi Linier Temperatur Material Terhadap Strain Gage [12] Kompensasi temperatur strain gage dirancang sedemikian rupa sehingga εT pada persamaan di atas dapat bernilai mendekati nol dengan cara mengendalikan koefisien perubahan hambatan oleh temperatur dari elemen hambatan strain gage (α)


yang sesuai dengan dengan koefisien ekspansi linear dari objek ukur. Parameter α 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 ±1,8με/°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 III. 14Grafik Karakteristik Suhu dari Kompensasi-Temperatur Foil Strain Gage [12]


Tabel III. 4 Koefisien Ekspansi Linier Berbagai Material [12]

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

Strain yang timbul akibat induksi termal εT (με/°C) diperoleh dengan pesamaan sebagai berikut [12]:

εT =

rλ α ⋅ R g + rλ K s

Dimana,

(III.18)

Rg :

Hambatan dari strain gage (Ω)

rl :

Hambatan dari kabel kepala(Ω)

Ks :

Gage faktor

α:

Koefisien hambatan oleh temperatur dari kabel tembaga (ΔR/R/°C), 3,9*10-3


Gambar III. 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 2-kabel, 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 0,062Ω/m, jarak strain gage ke sisi jembatannya 10m, maka panjang kabel adalah 20m. Efek temperatur yang diperoleh adalah setara strain sebesar 20x106

untuk setiap perubahan 1°C. Untuk menghindari efek temperatur tersebut maka

diadopsi sistem 3-kabel. 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 III. 16 Aplikasi 3-wire system [12]

III.1.11 Pengaruh dari Hambatan Material Insulasi Hambatan dari material insulasi strain gage tidak akan mempengaruhi hasil pengukuran apabila memiliki hambatan di atas 100MΩ. Akan tetapi, apabila hambatan tersebut berkurang secara drastis pada saat pengukuran berlangsung, maka akan terdapat kesalahan pada hasil pengukuran.

Gambar III. 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 [12]:


ε=

R g (r1 − r2 )

(III.19)

K s r1 r2

Misalnya,

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

maka, kesalahan strain yang terjadi adalah mendekati 6με. 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 εc yang timbul pada elemen hambatan akibat perekatan strain gage pada permukaan kurva dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut [12]:

εc =

t 2r + t

Dimana,

(III.20) t: ketebalan dari strain gage ditambah ketebalan permukaan perekat (adhesive) r: jari-jari permukaan daerah perekatan

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


III.1.13 Pengaruh (Missalignment)

Pemasangan

yang

Tidak

Tepat

Strain ε0 yang terukur oleh strain gage yang tidak tepat terpasang dengan sudut penyimpangan θ dari arah prinsipal strain, dapat dirumuskan sebagai berikut [12]:

ε0 =

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

(III.21)

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 }

(III.22)

Gambar III. 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 [12]: ⎛ ⎜ ⎝

ε = ⎜1 + Dimana,

rl Rg

⎞ ⎟×ε i ⎟ ⎠

(III.23)

εi: Strain terukur


Rg: Hambatan strain gage rl: Hambatan total dari kabel kepala Tabel III. 6Spesifikasi 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 1Gage Ketidaklinearan yang melebihi spesifikasi pada pengukuran regangan yang relatif besar dengan sistem 1-gage dapat dikompensasi melalui persamaan berikut untuk memperoleh regangan yang sebenarnya ε [12]:

ε=

ε0 (×10 − 6 ) 1− ε 0

Dimana,

(III.24)

ε0: 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 εa Æ εb Æ εc sebagai arah urutan 2. Sudut θ adalah: Sudut dari regangan maksimum terhadap sumbu εa bila εa > εc; Sudut dari regangan minimum terhadap sumbu εa bila εa < εc;


Perbandingan antara εa dan εc tetap memperhitungkan nilai positif dan negatifnya.

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

ε max =

[

{

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

}]

(III.25)

}]

(III.26)

Minimum principal strain [12]

ε min =

[

{

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

Arah dari principal strain [12]

θ=

⎡ 2ε − ε a − ε c ⎤ 1 tan −1 ⎢ b ⎥ 2 ⎣ εa −εc ⎦

(III.27)

Maximum shearing strain [12]

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

(III.28)

Maximum principal stress [12]

σ max =

[

{

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


}]

(III.29)

Minimum principal stress [12]

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 )

}]

(III.30)

Maximum shearing stress [12]

τ max =

{

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

}

(III.31)

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 ε, untuk sistem 1-gage adalah ε =

4e . Nilai regangan yang K sε

diperoleh berdasarkan 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 faktorfaktor 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 [12]:


1

=

R parallel

1 1 + R g + ΔR r

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

(III.32)

R g (R g + ΔR ) ΔR Rg K sε

Dimana,

Rg :

Hambatan dari strain gage

Ks :

Gage Factor dari strain gage

ε:

Nilai regangan kalibrasi

Gambar III. 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 III. 7 Contoh dari Nilai Regangan Kalibrasi dan Hambatan Parallel Tambahan [12] (Rg = 120Ω, 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.

Gambar III. 22Metode Perekatan Strain Gage [12]


III.2 Konfigurasi Strain Pendeteksi Gaya Multi Axis

gage

pada

Sistem

Gambar III. 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 III.11). Sistem konfigurasi jembatan wheatstone seperti ini akan membantu mendeteksi besarnya strain yang terjadi akibat bending. Tabel III. 8Tabel Deskripsi Sistem 2-Gage [16]

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


Gambar III. 24Rangkaian 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 III. 25 Simulasi Gaya yang Datang terhadap Plat X atau Plat Y Pada contoh kasus Gambar III.26 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, ε1, adalah bernilai positif dan strain gage x2, ε2, adalah bernilai negatif, sementara nilai absolut kedua strain adalah sama, ε 1 = ε 2 . Sesuai persamaan yang berlaku e=

pada

konfigurasi

ini,

yakni

persamaan

(III.12),

yaitu:

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc , maka tegangan keluaran, e adalah sama dengan dua 4

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 III. 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 0-200Ω 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 III. 27Diagram 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 III.28). Tegangan keluaran terkontrol dengan suatu logic swith, yang memungkinkan modul ini dapat berbagi satu analog bus dengan modulmodul 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 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 III.29. 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 III.29, karena adanya terminal yang tidak terlihat, jadi kita tidak dapat mengetahui berapa arus output.


Gambar III. 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 III. 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 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 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.4 Tegangan Keluar Teoritis Dengan menggunakan persamaan (III.12), tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone dapat diprediksi. Berikut adalah persamaan (III.12): e=

1 K (ε 1 − ε 2 )E exc 4

Saat pembebanan maksimum 12N, untuk Daerah Pendeteksi Gaya Arah x, strain (ε) 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 (ε) 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 (ε) 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 2,00E-02 -15

-10

nilai teoitis

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 III. 30 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 2,00E-02 -15

-10

nilai teoitis

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 III. 31 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 III. 32 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 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 III. 33 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 III. 9 Contoh dari Nilai Regangan Kalibrasi dan Hambatan Parallel Tambahan [16] Entry Channel Gain Keterangan 0 0 8 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.5.2 Rangkuman Konfigurasi Pendeteksi Gaya Multi Axis

Akusisi

Data

Sistem

Berikut adalah rangkuman konfigurasi yang digunakan dalam sistem akuisisi data pada alat Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis:


Tabel III. 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

III.5.3 Flowchart Pembangunan Peranti Lunak Antar Muka Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis Pada Sistem Pendeteksi Gaya Multi Axis, output berupa perubahan tegangan jembatan strain gage akan dikondisikan dan diakuisisi sedemikian rupa sehingga dapat dikonversi menjadi besaran gaya dan ditampilkan secara real-time pada monitor komputer. Jenis sinyal masukan yang akan diakuisisi adalah sinyal kontinu, karena secara berkelanjutan jembatan strain gage memberikan keluaran berupa tegangan yang berubah-ubah sesuai strain yang dialami sensor. Pada pembahasan kali ini akan


dijelaskan mengenai pemrograman untuk mengakuisisi sinyal masukan yang berasal dari jembatan strain gage yang berbentuk sinyal analog kontinu.


BAB III SENSOR, PENGKONDISIAN SINYAL DAN AKUISISI DATA

Recommend Documents