Bidang llmu Teknologi
PEMBUATAN SENSOR FLUXGATE BERBASIS TEKNOLOGI
PRINTED CIRCIUT BOARDS (PCBs) DAN APLlKASlNYA Peneliti : P Dr. Yulkifli, S.Pd., M.Si (~ei€m!)~( p-w--~ # b?k,f.;t @:;y ,yZ$E?j pf*-l;2$/ Drs. Asrizal, M.Si (Anggo@ak?::::,::, ig, z-o,- at3 I Prof. Dr. Mitra Djarnal ( ~ n g,d-+' d e. -../..~,**<,, f - ~bs,..., ' ~4 -<
-
7
/
1 A'P'L -L{,* p V
/1f!?ESa::gj;
-rr~j.sl
v.2
L\
I% ,w
j
cy)
1
J W ~ ~ ~ , ~ . ,
: 538
+;,
1 I
Dibiayai oleh Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Ditjen Dikti Depdiknas RI Melalui Proyek Peninggkatan Perguruan Tinggi Universitas Negeri Padang dengan Surat Perjanjian Kerja Nomor : 243H/UN.35.2/PG/2011
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNlVERSlTAS NEGERI PADANG 2012
Halaman Pengesahan Laporan Tahun I1 C)
I'
: P e m b u a t a n Sensor f7uxgate Berbasis Teknologi
1. Judul Penelitian Hibah
I41)'I:
Printed Circiut B o a r d s (PCBs) d a n Aplikasinya 2. Ketua Peneliti a. Nama Lengkap
: Dr. Yulkifli, S.Pd, M.Si
b. Jenis Kelamin
: Laki-laki
c. NIP
: 19730702 200013 1 002
d. Jabatan Struktural
rn
e. Jabatan Fungsional
: Lektor
f. FakultasIJurusan
: FMIPA / Fisika
g. Pusat Penelitian
: Universitas Negeri Padang
h. Alamat
: Jl. Prof. DR. Hamka , Air Tawar Padang, 25 13I .
j.
Alamat Rumah
Komplek Perumahan Pratama I1 Blok D No 2 Lubuk Buaya Padang.
3. Jangka Waktu Penelitian
: 2 Tahun (Tahun 11)
4. Pembiayaan
- Jumlah biaya yang diajukan ke Dikti - Biaya tahun 11 yang disetujui oleh Dikti - Biaya tahun 11 dari lnstitusi Lain
: Rp. 49,957,000,: Rp. 37.500.000,: Rp.
Padang, 24 November 20 12
ngetahui, &anFMIPA,
Y
.--.-----..
- .:
-.->>
@.'
x.Menyetujui, *,Fn.Pf'' .K & ULehbaga ~ Penelitian . !: ..-5'; ,4.,.::-: . ~ n i & ~ s i t a s % ~ e rPadang i
% %
:
/
5
.\
5 ''.
(Dr. klwen Bentri, M. Pd.) NIP. 19610722 1986021 002
NIP. 19730702 200013 1 002
PENGANTAR Kegiatan penelitian dapat mendukung pengembangan ilmu pengetahuan serta terapannya. Dalam ha1 ini, Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang berusaha mendorong dosen untuk melakukan penelitian sebagai bagian integral dari kegiatan mengajarnya, baik yang secara langsung dibiayai oleh dana Universitas Negeri Padang maupun dana dari sumber lain yang relevan atau bekerja sama dengan instansi terkait. Sehubungan dengan itu, Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang telah memfasilitasi peneliti untuk melaksanakan penelitian dengan judul Pembuatan Sensor flugate Berbasis Teknologi Printed Circiut Boards (PCBs) dan Aplikasinya sesuai dengan Surat Penugasan Pelaksanaan Penelitian Desentralisasi Hibah Bersaing Tahun Anggaran 20 12 Nomor: 08 l/UN35.2/PG/20 12 Tanggal 29 Februari 2012. Kami menyambut gembira usaha yang dilakukan peneliti untuk menjawab berbagai permasalahan pembangunan, khususnya yang berkaitan dengan permasalahan penelitian tersebut di atas. Dengan selesainya penelitian ini, Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang telah dapat memberikan informasi yang dapat dipakai sebagai bagian upaya penting dalam peningkatan mutu pendidikan pada umumnya. Di samping itu, hasil penelitian ini juga diharapkan memberikan masukan bagi instansi terkait dalam rangka penyusunan kebijakan pembangunan. Hasil penelitian ini telah ditelaah oleh tim pembahas usul dan laporan penelitian, serta telah diseminarkan ditingkat nasional. Mudah-mudahan penelitian ini bermanfaat bagi pengembangan ilmu pada umumnya, dan peningkatan mutu staf akademik Universitas Negeri Padang. Pada kesempatan ini, kami ingin mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang membantu pelaksanaan penelitian ini. Secara khusus, kami menyampaikan terima kasih kepada Direktur Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Ditjen Dikti Kemendiknas yang telah memberikan dana untuk pelaksanaan penelitian tahun 2012. Kami yakin tanpa dedikasi dan kerjasama yang baik dari DP2M, penelitian ini tidak dapat diselesaikan sebagaimana yang diharapkan. Semoga ha1 yang demikian akan lebih baik lagi di masa yang akan datang. Terima kasih.
-- Fadang,
_. , , ,
/
.
Desember 2012 Ketua Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang,
NIP. 19610722 198602 1 002
w 1 1 !1
,I ,I'
1 'I,
.I
'I.
I'
f )
:I '?I ' 1 I.
.:T, i! I
4) I1
A. LAPORAN HASIL PENELITIAN
./
41
'(I1 '11
?(
I\ I,
I
1)
)I
;I
ii
RINGKASAN DAN SUMMARY
:),I
Pembuatan Sensor Fluxgate Berbasis Teknologi Printed Circuit Boards dan Aplikasinya.
llii
-1 I, 1: I ' t I'
,tIi~ 1;
1 I
,/
1; ;
'/I.
yuliflia), Asrizala), Mitra ~ j a r n a l ~ )
I
,! fl
')Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang b ' ~ u r u s a nFisika FMIPA Institut Teknologi Bandung
.i ). !
.)iI
jil:i 1)
11
8:
1;:
Meningkatnya kebutuhan untuk otomatisasi, keamanan dan kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem sensor baru dengan
:\ i;, li 1 I,
prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Berdasarkan data mengenai pasar sensor dunia diketahui bahwa perkembangan rata-rata produksi sensor dalam sepuluh tahun
i
terakhir meningkat 4.5% setiap tahunnya. Sensor yang banyak dikembangkan
11 I'
saat ini adalah sensor-sensor yang dalam pengukuran berbasiskan pada konsep :iII
perubahan medan disekitar objek yang diamatildiukur, sensor-sensor yang
1;:
:I a
menggunakan konsep ini disebut sensor magnetik, salah satunya adalah sensor fluxgate.
Teknologi pembuatan sensor fluxgate saat ini terus mengalami
perkembangan, antara lain, teknologi mikro, teknologi PCBs, teknologi hybrid. ;I I'
Peningkatkan daya kerja sensorj7uxgate (seperti: sensitivitas, akurasi dl!.) telah
'I /I
i;
:j
1;
dilakukan oleh para peneliti seperti perbaikan pada desain elemen
\'
rangkaian pengolah sinyal dan meminiatur ukuran sensor dalam orde yang lebih
sensor,
I
111 :1 1.
kecil dengan berbagai pendekatan.
.1 1 I
Melalui penelitian ini kami bermaksud membuat sensor magnetik digital
11 / '
resolusi tinggi menggunakan teknologi PCB. Untuk mencapai tujuan ini akan :
It
dikembangkan sensor magnetik dengan metoda fluxgate berdasarkan teknik
,. I,
:,I.'1:
I,
harmonisa ke dua. Prinsip dasar metoda ini adalah dengan membandingkan
/
I'
medan magnet yang diukur dengan medan magnet referensi yang dihasilkan oleh
8
,
'i i l l
'i II
1
sensor itu sendiri. Dalam pembuatan elemen sensor dengan teknik PCBs memiliki tiga tahapan proses, yaitu ( I ) . Desain enjiniring, (2). Desain fisik PCBs, (3), Pencetakan ke PCBs. Setiap tahap memerlukan perangkat lunak tertentu. Ketiga perangkat lunak tersebut adalah Computer Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided Manufacturing (CAM). Agar mendapatkan hasil yang diharapkan semua proses mempunyai keterkaitan yang sangat erat dan tidak dapat dipisahkan. Untuk pembuatan elemen sensor fluxgate dengan teknik PCBs yang sangat menentukan adalah: footprint dan track (jalur) yang mengantikan sistim gulungan kawat yang dilakukan selama ini. Berdasarkan hasil yang diperoleh pada tahap I dapat disimpulkan teknologi PCBs dapat di gunakan dalam menggantikan peranan lilitan pada kumparan
fluxgate karakterisasi
sensor memberikan
gambaran
daerah
pengukuran medan magnet yang dapat terukur -6uT dengan sensitivitas : 192,28 mV/uT. Kesalahan Relatif dan absolut dari karakterisasi di peroleh: 0,03% dan 0,35 uT. Pada tahun ke I1 dititik beratkan pembuatan prototip sensor-sensor yang berbasis pada sensorfluxgate, antara lain sensor untuk mengukur medan magnetik lemah, sensor jarak dalam orde yang sangat kecil (proxymeter sensor) dan sensor pengukuran magnetik pasir besi, sensor pengukuran medan magnet batuan magentik. Berdasarkan analisis data terhadap aplikasi sensor jarak diperoleh fungsi transfer Vo= 0.0245x2-0.622x+3.977, sensitivitas S = 0.049~-0.622dan ketelitian 0.999 dengan spesifikasi performansi dari sistem pengukuran jarak benda digital berbasis sensorflwcgate terdiri dari dua bagian penting yaitu indentifikasi setiap komponen pembentuk sistem pengukuran jarak benda digital dengan panjang alat ini sekitar 30 cm dengan lebar 20 cm dengan kapasitas pengukuran dari 7 milimeter sampai 15 milimeter. Sistem pengukuran jarak benda digital ini menggunakan magnet batang sebagai sumber medan magnet, , mikrometer sekrup sebagai alat ukur standar komponen-komponen
elektronika
lainya serta
mikrokontroler ATMEGA 8535. Ketiga spesifikasi desain dari sistem pengukuran jarak benda digital berbasis sensorfluxgate terdiri dari persentase kesalahan 12%, ketepatan 0.875 dan ketelitian 0.83 1.
DAFTAR IS1 HALAMAN PENGESAHAN PENGANTAR RINGKASAN DAN SUMMARY. .........................................................i
...
DAFTAR ISI.. .................................................................................111 DAFTAR LAMPIRAN. ...................................................................... iv BAB I. PENDAHULUAN.. .................................................................1 BAB 11. KAJIAN TEORI .....................................................................4 BAB 111. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ............................................14 A. TUJUAN PENELITIAN ......................................................................... 14
B. MANFAAT PENELITIAN ..................................................................... 14 BAB IV. METODE PENELITIAN ........................................................................... 16 BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................
18
A. Tahap Persiapan tahun I1........................................................................ 18 B. Hasil Pengembangan Sensor Fluxgate PCB ke arah Aplikasi ................ 18 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... -46 LAMPIRAN ......................................................................................................... 5
1
iii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Draf publikasi: Journal of Civil Engineering of science (JCES). ......5 I Lampiran 2 . Draft untuk Jurnal Nasional JOKI.. ......................................... 52 Lampiran 3 . Abstrak Skripsi Mahasiswa yang Terlibat.. ...............................54 Lampiran 4. Foto Pengambilan Data Pengukuran ....................................................59
B. IS1 LAPORAN AKHIR BAB I. PENDAHULUAN Besarnya kompetisi di pasar bebas mengharuskan pengembangan instrumen yang terus menerus baik dari sisi kualitas, harga maupun keandalannya (Traenkler, 2001). Meningkatnya kebutuhan untuk otomatisasi, keamanan dan kenyamanan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem sensor baru dengan prinsip dan metoda yang berbeda-beda. Jumlah sensor dan sistem sensor yang diperlukan juga meningkat. Saat ini teknologi sensor telah memasuki bidang aplikasi baru dan pasar yang semakin meluas seperti otomatif, Riset and development, rumah cerdas (smart home) dan teknologi pengolahan (Meijer 2008 dan Intechno, 2008). Berdasarkan
data
mengenai
pasar
sensor
dunia
diketahui
bahwa
perkembangan rata-rata produksi sensor dalam sepuluh tahun terakhir meningkat 4.5% setiap tahunnya, dengan prediksi komposisi kebutuhan pada tahun 2010
ditunjukkan Gambar 1. Terlihat bahwa pasar otomotif menempati segmen terbesar yakni 26% dari pasar dunia, disusul dengan teknologi pengolahan 19%, bangunan 1 1% dan kesehatan 10%. R&D
lingkungan
3% rumah
i"
perlengkapan
profesiona! 3%\
/
lainnya
12%
pengolahan 19%
Gambar 1. Ekstrapolasi data kebutuhan sensor tahun 2010 (Intechno, 2008)
Salah satu sensor yang banyak dikembangkan saat ini adalah sensor-sensor yang dalam pengukuran berbasiskan pada konsep perubahan medan disekitar objek yang diamatildiukur, sensor-sensor yang menggunakan konsep ini disebut sensor magnetik (Fraden, 1996). Beberapa metoda yang dapat dilakukan untuk mengukur kuat medan magnet. Pemilihan metode ini bergantung pada beberapa faktor, antara lain: resolusi, kuat medan, homogenitas, variasi dalam waktu, sensitivitas dan keakuratan. Sensor magnetik adalah alat ukur medan magnet yang banyak digunakan orang untuk berbagai keperluan, antara lain untuk penelitian bahan-bahan magnetik, keamanan penerbangan (mendeteksi barang bawaan), pemetaan medan magnet bumi, penentuan posisi benda, pengetesan kebocoran medan magnet dari suatu alat penghasil medan magnet seperti pengeras suara, magnetron dan peralatan magnetik lainnya. Sensor fluxgate
sebagai salah satu sensor mangetik yang akan
dikembangkan ini memenuhi kriteria di atas dimana prosesnya tidak terlalu komplek, sinyal keluaran mudah didigitalisasi, linieritas tinggi, ukuran relatif kecil, dan sensitivitas tinggi (Goepel, dkk., 1989). Peningkatkan daya kerja sensor flzucgate (seperti: sensitivitas, akurasi dll.) telah dilakukan oleh para peneliti seperti perbaikan pada desain elemen sensor, rangkaian pengolah sinyal dan meminiatur ukuran sensor dalam orde yang lebih kecil dengan berbagai pendekatan. Beberapa pendekatan teknologi yang digunakan oleh para peneliti dalam mengoptimasi sensor fluxgale, antara lain: teknologi konvensional, teknologi PCB, teknologi mikro dan teknologi hybride (Kombinasi). Setiap teknologi yang di gunakan berbeda pada bentuk sensor, material inti, teknologi penanaman inti, dan data ferforma sensor Melalui penelitian ini kami bermaksud membuat sensor magnetik digital resolusi tinggi menggunakan teknologi PCB. Untuk mencapai tujuan ini akan dikembangkan sensor magnetik dengan metoda fluxgate berdasarkan teknik harmonisa ke dua. Prinsip dasar metoda ini adalah dengan membandingkan medan magnet yang diukur dengan medan magnet referensi yang dihasilkan oleh sensor itu sendiri. Dalam pembuatan elemen sensor dengan teknik PCBs memiliki tiga tahapan proses, yaitu (1). Desain enjiniring, (2). Desain fisik PCBs, (3), Pencetakan ke PCBs. Setiap tahap memerlukan perangkat lunak tertentu. Ketiga perangkat lunak
tersebut adalah Computer Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided Manufacturing (CAM). Agar mendapatkan hasil yang diharapkan semua proses mempunyai keterkaitan yang sangat erat dan tidak dapat dipisahkan. Untuk pembuatan elemen sensor fluxgate dengan teknik PCBs yang sangat menentukan adalah: footprint dan track (jalur) yang mengantikan sistim gulungan kawat yang dilakukan selama ini.
BAB. I1 KAJIAN TEORI 1. Prinsip Dasar Sistem Sensor Flia-gale dan Aplikasinya
Sensor fluxgate adalah sensor magnetik yang bekerja berdasar perubahan flux magnetik disekitar elemen sensor (Gopel, dkk., 1989). Elemen sensorfluxgate terdiri dari kumparan primer (excitation coil), kumparan sekunder (pick-up coil) dan inti ferromagnetik (core), seperti ditunjukkan Gambar 2.a). Berdasarkan arah medan eskitasi yang dihasilkan oleh kumparan eksitasi, maka elemen sensor fluxgate terdiri dari dua, yaitu: sensorfluxgate orthogonal: arah medan eksitasi tegak lurus arah medan eksternal yang di ukur, sedangkan parallel sensorflzucgate : arah medan medan eksitasi sejajar dengan medan eksternal yang diukur , seperti ditunjukkan Gambar 2.b dan 3.c. Inti .....
Kumparan pick-up
ferromagnetik lnti romagnetik
Kumparan eksitasi
Kurnparan
I
Konfigurasi paralel sensor fluxgate (b)
.urnparan eksitasi Arm eksitasi Konfigurasi dasar elemen sensor fluxgate (a)
Konfigurasi ortogonal sensor fluxgate (c)
Gambar 2. Konfigurasi dasar kumparan elemen sensorflugate (Zorlu, 2008) Pengukuran kuat medan magnet dengan metode fluxgate didasarkan pada hubungan antara kuat medan magnet H yang diberikan dengan fluks medan magnet induksi B. Jika B yang dihasilkan berasal dari masukan H berupa gelombang pulsa bolak-balik, maka dalam keadaan saturasi pada keluaran B akan timbul gelombang harmonik genap, gelombang harmonik ke dua, yang besarnya sebanding dengan
medan magnet luar yang mempengaruhi inti (core) dan arahnya sebanding dengan arah medan magnet luar. Prinsip pengukuran ini dapat ditunjukkan Gambar 3.
Gambar 3. Prinsip kerja sensorfluxgate (Grueger, dkk., 2002., Djamal, 2010). Prinsip kerja sensorfluxgate ketika mengukur perubahan medan magnet luar ditunjukkan pada Gambar 3. Prinsip kerja sensor magnetik fluxgate. a) Medan eksitasi tanpa medan magnet luar Bext=O;b) Medan eksitasi dengan medan magnet luar Bex#O; c) kurva magnetisasi dalam keadaan saturasi pada Bext=O; d) kurva magnetisasi dalam keadaan saturasi pada BexdO; e) perubahan fluks terhadap waktu pada B,aO; f) perubahan fluks terhadap waktu pada BexdO; g) tegangan keluaran sensor pada BeXt=O;h) tegangan keluaran sensor pada BeXdO. Buffer eksitasi
2KHz
Osilator 4,096 dan Pembagi Teganagan
Pengontrol
G T>l -
Pengust Awal
1
& I Buffer + Detektor Fasa -
Gambar 4. Skema Diagram Pengolahan Sinyal Sensor
Integrator Output
Tegangan keluaran V,,, dari elemen sensor diolah dengan menggunakan rangkaian pengolah sinyal. Pengolah sinyal sensor terdiri dari beberapa bagian, yaitu diffrensiator, detektor, sinkronisasi fasa, integtrator, dan penguat akhir. Secara skematik terlihat pada Error! Reference source not found.. Karakteristik tegangan keluaran sensor fluxgate dipengaruhi oleh banyak faktor antara lain: jumlah lilitan eksitasi dan pick-up, jumlah lapisan inti (Yulkifli, dkk., 2007,2009,2010) , dimensi geometri elemen sensor (Hinnrics, dkk., 2001; Liu 2006, sifat dan jenis material
inti ferromagnetik (Gopel, 1998 dan Ripka, dkk.,
2008), frekuensi dan arus eksitasi (Ripka 2001a, Kubik, 2006 dan Janosek, 2009). Pemilihan bahan inti sangat penting karena menentukan sensitivitas dan akurasi dari sensor (Ripka, P., 2000b). Disamping itu inti harus bersifat robus terhadap pengaruh luar seperti vibrasi akustik dan deformasi mekanik. Bahan yang memenuhi persyaratan tersebut Vitrovac
dan Metglass. Vitrovac atau kaca logam
C066.5Fe3.5Si12BI *6025 mempunyai permeabilitas relati f yang tinggi, yaitu sekitar 100000. Penggunaan pita Vitrovac memungkinkan desain sensor dengan ukuran yang cukup kecil dan robus (Moldovanu, dkk., 2000). Untuk mengevaluasi tegangan keluaran sensor fluxgate digunakan fungsi transfer. Fungsi transfer suatu sensor magnetikfluxgate menggambarkan hubungan antara tegangan keluaran Vo dengan medan magnet yang diukur. Fungsi transfer dapat dihitung menggunakan pendekatan polinomial kemudian mencari komponen frekuensi yang ada di dalam kerapatan fluks magnetik inti sensor. Penggunaan pendekatan polinomial tekhnik harmonisa kedua akan memudahkan untuk menyederhanakan fungsi transfer ke dalam komponen frekuensi (Gopel, W, et a!., 1989). Perubahan flux magnetik yang berasal dari kumparan eksitasi ditangkap oleh kumparan pick-up dalam bentuk tegangan (ggl). Komponen tegangan keluaran harmonisa kedua Vour2k dari kumparan pick-up adalah Vot2h
= 'NO''-
h f e ma, ~ sin 20t
@alhe.r,
dengan B, adalah amplitude medan exksitasi, N jumlah lilitan pick-up, A luas penampang inti, o kecepatan sudut, h,, medan eksternal dan hrefm, adalah medan referensi dari eksitasi, Dari persamaan di atas terlihat bahwa tegangan keluaran harmonisa ke dua adalah berbanding lurus dengan kuat medan yang diukur (Djamal, dkk., 2005, Bashirotto, dkk., 2006a).
Keamanan & militer
Geomagnetik -
.
.
--
Monitor jalan raya Kornpas
--Geophysics --.--.-.--
I
,
&
Ruang angkasa
Gambar 5. Aplikasi sensor fluxgate dalam kehidupan Penggunaan sensor magnetik fluxgate dalam dunia teknik, terutama dalam teknik pengukuran dan kontrol semakin berkembang sejalan dengan kemajuan teknologi, antara lain : untuk penelitian bahan-bahan magnetik, geophysics, ruang angkasa, sistem navigasi (mendeteksi barang bawaan transportasi), pemetaan medan magnet bumi, sebagai kompas pada pesawat, kapal laut atau kapal selam, geofisika, monitoring medan magnet permukaan bumi, pengukuran sudut inklinasi dan deklinasi medan magnet bumi, pengukur ketinggian satelit, bio-sensor, non
destructive testing (Ripka, dkk., 2001a;2003, Kaluza, dkk., 2003, Hwang, dkk., 2003; Carr, dkk., 2006; Vcelak, dkk 2006, Ando, dkk., 2008, dan Djamal, dkk., 2009,2010).
Gambar 6 . menunjukkan aplikasi sensor sensor fluxgate dalam
kehidupan.
2. Teknologi Sensor Tantangan utama teknologi sensor masa kini adalah mengukur besaranbesaran yang selama ini sulit atau tidak bisa diukur dan meningkatkan nilai informasi sensor dengan menggunakan metoda-metoda pengukuran yang sudah dikenal (Traenkler, 2007). Dalam pengembangan sensor dan sistem sensor perlu dipilih prinsip-prinsip pengukuran yang cocok, pengukuran-pengukuran khusus perlu dikembangkan untuk meningkatkan kemampuan sensor (Traenkler, 1998). Dalam ha1 ini perlu dikompromikan antara biaya dan permintaan.
'I 1'
I
'\I' I ,;I!
Peningkatan kemampuan sensor secara umum dapat dicapai dengan
,I I, '1 !I
melakukan pemilihan yang tepat terhadap teknologi manufaktur, struktur sensor dan
II I ',
pengolah sinyalnya. Kemampuan suatu sensor atau sistem sensor ditentukan oleh
)I '
4 1, .I I'
,j
interaksi yang kuat dari tiga komponen utama pembentuknya, seperti struktur sensor,
I,
i: rl I~
I
teknologi manufaktur dan algoritma pengolah sinyalnya (Traenkler, 200 1).
I
.I
.( '1; 11 !I, I( I
.I 1 111
.(i I1
r( I' ,,
,
;[; I 'I
~
-11
:I I: 1 11 I
11
'!I#I1 '1 t:
i
L!,
' I 11
Gambar 6. Tiga komponen utama teknologi sensor (Traenkler, 2001)
(I' f
'I
Perkembangan teknologi sensor juga dipengaruhi oleh perkembangan dari
b,Ili 1
I$/
L 1
:r
I
!I 1; 1 ,
', i
-1 1.
ketiga bidang ini, ketiga komponen tersebut di tunjukkan pada Gambar 6. Bagian inti dari struktur suatu sistem sensor adalah elemen sensor. Bagian ini mengubah besaran fisika atau kimia yang diukur menjadi sinyal analog elektronik. Adanya
.) $ 1
fluktuasi beberapa parameter yang terjadi selama proses fabrikasi, menyebabkan
_ ;I I. rl +i 8
.I
1 I! li I
terjadinya variasi manufaktur. Faktor-faktor pengaruh seperti temperatur, tekanan, dan kelembaban dapat mempengaruhi karakteristik sensor. Efek penuaan dalam
91
I I
Il
.! )I :t !,
!I 0 .I
1:
8;
hl
*I 1:
-'
I:
I 'I!
! j Y!
II
;:8
beberapa ha1 dapat mempengaruhi karakteristik sensor, seperti perubahan sensitivitas atau pergeseran titik nol. Pengolahan sinyal sensor ditujukan untuk mengatasi efekefek pengaruh (influence factors) sehingga didapat nilai yang terbaik dari hasil pengukuran. Dengan teknik pengolahan sinyal yang sesuai maka karakteristik sistem sensor dan ketelitiannya dapat ditingkatkan secara signifikan. Penggunaan teknologi baru untuk menghasilkan sensor-sensor tertentu tidak
I \ 1,
'f
li
langsung berkaitan dengan peningkatan kemampuan sensor secara menyeluruh.
*()I
!I I1 ( I )I
Semakin banyak langkah-langkah teknologi proses yang dilakukan dalam membuat
;I I ,
:' I1
sensor atau sistem sensor maka akan semakin rumit teknik-teknik yang diperlukan
41
untuk mengatasi efek-efek sensor yang tidak diinginkan. Untuk mendapatkan
ti
:1 I!
'I, I t1 I i! ly
*,
fl
,
'1
(I; 'I
'b!
I
'I I
'! 4
kemampuan sensor atau sistem sensor yang optimal perlu dipilih kombinasi yang tepat antara teknologi dengan sistem pengolah sinyal yang digunakan. Dengan demikian pembuatan sensor dan sistem sensor lebih mudah dan biaya murah tentunya dengan kualitas yang dapat bersaing dengan produk luar negeri.
3. Pernanfaatan Teknologi Printed Circuit Boards dalarn Sensor Fla~gaie Teknologi pembuatan sensor maka fluxgate saat ini terus mengalami perkembangan, antara lain, teknologi mikro, teknologi PCBs, teknologi hybrid. Teknologi hybrid merupakan kombinasi antara teknologi konvensioan dengan ketiga teknologi di atas. Kempat teknologi ini berserta contoh elemen sensor yang telah berhasil di kembangkan ditunjukkan Gambar 7
Gambar 7. Perkembangan teknologi pembuatan elemen sensorJluxgate
a. Teknologi konvensional Teknologi konvensional adalah teknologi manual dimana kawat email kumparan eksitasi dan pick-up dililitkan secara manual sedangkan core sebagai inti ferromagnetik masih menggunakan material buatan industri seperti Vitrovac dan Metglas.
b. Teknologi printed circiut board (PCB) Teknologi ini hanya digunakan untuk mengantikan peranan kawat email yang sering dililitkan secara munual pada kumparan eksitasi dan pick-up. Teknologi PCB dikembangkan semenjak tahun 1999 oleh Dezuari, dkk., dari Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (Switzerland), kemudian menyusul Perez, dkk., 2004 dari Uinv. Complutense de Madrid and Madrid Polytechnical University (Spain), Choi, dkk., 2004 dari Kangnung National University and Samsung Advanced Institute of Technology in Suwon (Korea), Baschirotto, dkk., 2004 dan 2006 dari University of Lecce and University of Pavia in Italy, And& dkk., 2004., dari University of Catania (Italy) and Space and Naval Warfare Systems Center, San Diego (USA), Tipek, dkk., 2005 dan University, Prague.
Kubik, dkk., 2006 dari Cezch Tekhnical
Pembuatan elemen sensor dengan teknologi PCB memliki
proses yang sederhana dan murah sehingga biayanya murah. Kekuranganya adalah ukurannya lebih besar dibandingkan konvensional apalagi jika dibandingkan dengan teknologi mikro. c. Teknologi mikro (microfabrication) Peranan kawat email dan inti ferromagnetik sebagai inti dibuat menggunakan berbagai proses teknologi mikro, antrara lain electroplated/electroplating,chemical etching, flex-Joil, photolithograpy, photoresist dun evaporasi, beberapa peneliti yang mengembankan teknologi ini adalah: (Kawahito, dkk., 1994; 1996; Ripka, dkk., 2001b, 2001c: Park, dkk., 2004;
Wang, dkk., 2006; Fan., dkk., 2006 dan Zorlu,
dkk., 2008) Pendekatan dengan teknologi mikro mempunyai proses yang sangat komplek sehingga mengakibatkan harga proses pembuatan mahal, sensitivitasnya yang dihasilkan rendah karena h a s penampang (cross-sectional) menjadi kecil sehingga untuk memperoleh sensitivtias yang tinggi diperlukan frekuensi yang tinggi, dan keterbatsan dalam jumlah lilitan dalam solenoide (Ripka, dkk., 2001c, dan Liu, dkk., 2006). Menurut Ripka, (2008) penggunaan inti ferromagnetik dalam bentuk padatan (bulk soft magnetik) lebih baik dari pada core berbentuk film tipis, ha1 ini
dikarenakan besar manget yang terukur berbagantung pada luas penampang core. Sensor dengan proses teknologi mikro memiliki noise yang besar dibandingkan dengan teknologi PCB (Kubik, 2006).
Ketiga pendekatan di atas masih digunakan dan proses pembuatan sensor fluxgate dan fabrikasi divais masih sering dilaporkan (Zorlu, 2008). d. Teknologi Hybrid Kombinasi dari teknologi di atas disebut hybrid technology (Dezuari, dkk., 1999). Teknologi ini mengkombinasikan proses pembuatan elemen sensor diantara teknologi beberapa peneliti yang mengkombinasikan ini adalah: Belloy, dkk., 2000, Tipek, dkk., 2005 dan Perez, dkk., 2004. Berbagai usaha telah dilakukan peneliti untuk meningkatkan daya kerja sensor fluxgate (sensitivitas, akurasi dll.) seperti perbaikan pada desain struktur sensor, rangkaian pengolah sinyal dan meminiatur ukuran sensor dalam orde yang lebih kecil (microfabrication technology), seperti terlihat pada Tabel 1. Tabel 1. Perkembangan teknologi pembuatan sensorfluxgate vuxgate fabrication technology) No.
Metodelteknologi dan Spesifikasi
Peneliti
1
Dual Core ,double pick-up ,Untuk Dual Core, satu kumparan pick-up oleh Djamal, M,. el al., 2006 diperoleh sensitivitas 346,47 mV/pT.
Djamal, dkk., 2006a
2
Sensor tiga dimensi, metode thin film (CMOS) dengan core : NislFe19 rentang pengukuran *100pT sensitivitas : 5 - 30 mV/ pT
Grueger, dkk.., 2000
3
Metode: photolithography dan chemical etching (CMOS tecnology), core berbentuk diagonal diatas single kumparan exsitasi. Sensitivitas: 3760 V/T pada 125 kHz konsumsi daya 12.5 mw pada 17 mApp.
Chiesy, dkk., 2000
4
Metode kombinasi antara teknologi elektrodeposition dengan PCB dengan core amorphous Co-P ( C O ~ ~ P ~ ~ / Csensitivitas O ~ ~ P ~ 160V/T, ~), daerah linier kerja 0 s/d 250 uT.
Perez, dkk., 2004
5
Metode kombinasi electroplated dan sputtering, Core: Ni0.8 1Fe0.19, jumlah lilitan eksitasi 49 lilitan dan pick-up 46 lilitan, sensitivtias 210 V/T dan rank pengukuran - 100 s/d 100 uT
Park, dkk., 2004
6
Single Core elips, (permalloy : 80% Ni, 5% molybdenum, 15% Fe), singel pick-up, dengan ratio cros section -1 to 0.2, kebutuhan daya menurun dari 4 1mW menjadi 1,2mW, sensitivitas tetap.
Liu, dkk., 2006
7
Single core, sensorflzlxgafe ortogonal dengan electroplated kawat Nis0Fe2dCu.Sensitivits 20 mMIpT: konsumsi daya 100mW.
Fan, dkk., 2006
8
Core ferromagnetik dengan ring persegi dengan resist, SU-8 2025, 12 coil lilitan tiap kumparan 38, panjang sisi core 5mm dan cross sesction 0.4 mm dan tebal20 pm. Proses pembuatan: teknik UV. Lithography
Wang., dkk., 2006
9
Core simetris (Vitrovac 6025), single pick-up. Sensitivitas 346,47 mV/pT, rentang pengukuran -40 pT sampai 40 pT.
Djamal, dkk., 2006
10
Metode:dc magnetron sputering, dengan core Vitrovac 6025X (luas total 450 Fm x 450 pm), sensistivitas: 0.45 pV/mT, keslahan linieritas: 1.15%, rank pengukuran: i 5 0 pT.
Bashiroto,. dkk., 2006
II
Metode: electrodeposition dengan core nickel iron alloy. dan lilitan dari copper. Sensitivitas: 28VlA pada 60 kHz menggunakan arus 2 App. . penuruan komsumsi daya : dari 2.6W men,jadi 0.7 W
Tipek, dkk., 2006
12
Metode: electroplating dan etching dengan 4 lapisan. Ketebalan core Vitrovac 60256025 25pm. Single core dan double core Sensitivitas: 24 1VIT pada 1OkHz.
Kubik, dkk., 2006
13
Metode: deposisi sputering dan dry etching dan evaporasi. Sensitivitas: 5 10 pV/mT, rata-rta daya disipasi 8.1 mW pada 100 kHz
Zorlu, dkk., 2007
14
Teknik: mikro wire-core, sensitivitas 30 mV1 pT dengan level noise 0.34 nT untuk double-wire bipolar
Ripka, dkk., 2009
15
Metode: teknologi PCBs, dengan, kontrol rangkaian eksitasi dengan pulsa 10 kHz, sensitivitas 615 V/T pada 650 rnA
Janosek, dkk, 2009.
16
Metode: teknik MEMS, 3D micro-solenoid, daerah kerja 0-80pT, sensitivitas 6,7 VIT pada frekuensi eksitasi 40 kHz, 430 mA.
Lei, dkk., 2009
Berdasarkan
Tabel 1. terlihat bahwa teknologi mikro-sensor menghasilkan
sensitivitas sensor yang rendah karena luas penampang (cross-sectional) menjadi kecil (Liu, dkk., 2006), metode pembuatan yang digunakan mempunyai proses yang komplek sehingga biaya pada saat proses pembuatan sangat tinggi (Ripka, dkk, 2001a, Kubik, dkk., 2006). Oleh karena itu sensor dengan resolusi tinggi yang beredar dipasaran harganya sangat mahal. Hal ini berlawanan dengan kebutuhan dilapangan dimana untuk pengukuran dan pengontrolan yang menggunakan konsep perubahan medan magnet dibutuhkan sensor magnetik dengan sensitivitas yang tinggi tentunya dengan harga yang terjangkau (Yulkifli, dkk.,2007a). Dalam pembuatan elemen sensor dengan teknik PCBs memiliki tiga tahapan proses, yaitu (1). Desain enjiniring, (2). Desain fisik PCBs, (3), Pencetakan ke PCBs. Setiap tahap memerlukan perangkat lunak tertentu. Ketiga perangkat lunak tersebut adalah Computer Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD) dan Computer Aided Manufacturing (CAM). (SELC,2008).
Agar
mendapatkan hasil yang diharapkan semua proses mempunyai keterkaitan yang sangat erat dan tidak dapat dipisahkan. Untuk pembuatan elemen sensor Juxgate dengan teknik PCBs yang sangat menentukan adalah: footprint dan track (jalur) yang mengantikan sistim gulungan kawat yang dilakukan selama ini.
Sensitivitas sensor fluxgate dapat ditingkatkan dengan memaksimumkan tegangan induksi (penguat) dengan cara meningkatkan frekuensi eksitasi (fecx), Jumlah lilitan sensing (pick-up coil) dan luas penampang inti (core) ferromangetik (A. Baschirotto, 2006).
BAB 111. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN A. TUJUAN PENELITIAN
Tujuan umum penelitian ini adalah pembuatan elemen sensor fluxgate dengan memanfaatkan teknologi Printed Circuit Boards (PCBs) dan aplikasi pada sensorsensor yang berbasis padanya. Adapun tujuan khusus penelitian ini adalah : a. Mendesain elemen sensor menggunakan teknologi PCBs b. Optimasi rangkaian pengolah sinyal terutama rangkaian eksitasi c. Karaterisasi dan kalibrasi sensorfluxgate d. Aplikasi pada pengukuran medan magnet lemah, pengukuran jarak orde kecil (proksimiti), pengukuran magnetik pasir besi dan pengukuran magnet batuan magnetik
e. Pengujian kehandalan sensor seperti uji reliabilitas, uji kestabilan dll. B. MANFAAT PENELITIAN Hasil penelitian ini sangat bermanfaat bagi industri-indistri dan pembangunan di Indonesia. Pembangunan sarana dan prasarana di masa modern seperti sarana transportasi baik darat maupun udara yang cenderung serba otomatis akan mendorong pemanfaatan dari hasil penelitian ini. Dengan luasnya aplikasi dari sensorJuxgate, terbuka peluang untuk penerapan teknologi ke arah komersial untuk diproduksi secara massal di dalam negeri. Penggunaan produksi negeri sendiri dapat memajukan industri dan perekonomian di dalam negeri. Selain itu akan dapat menghemat devisa negara karena kebutuhan akan sensor selama ini di impor dari luar negeri. Disamping memiliki arti ekonomis yang sangat besar, hasil penelitian ini juga memiliki arti kebanggaan nasional karena riset ini sangat memberi peluang kepada Indonesia untuk ikut berbicara dalam tingkat dunia.
BAB IV. METODE PENELITIAN
Riset ini dilakukan dalam 2 tahun. 1. Tahun I
Pada tahun I dilakukan studi literatur tentang perkembangan terkini sensor fluxgate, kemudian dilanjutkan dengan desain elemen sensor fIuxgate dengan tenologi PCBs, kemudian dilanjutkan pada desain elemen
sensor, perbaikan
rangkaian pengolah sinyal untuk memperbaiki resolusi sensor, kalibrasi
dan
karakterisasi kzluaran sensor. Karakterisasi dan pengukuran ini dilakukan di laboratorium Elektronika dan Instrumentasi jurusan Fisika UNP dan ITB, sehingga diakhir tahun pertama diharapkan sudah diperoleh elemen sensor jluxgate model PCBs dengan ukuran kecil daerah kerja lebih lebar, sensitivitas dan resolusi tinggi dan dipublikasikan pada prosidingljurnal nasional. Tahapan pelaksanaan penelitian tahun I diperlihatkan pada skema berikut:
Desain elemen sensor dengan Teknologi
Kalibrasi dan karakterisasi
I
a
Peninpkatan resolusi sensor Analisi data
Gambar 8. Alur Penelitian Tahun I
I
'
2. Tahun I1 Pada tahun ke I1 dititik beratkan pembuatan prototip sensor-sensor yang berbasis pada sensorjlflwcgate, antara lain sensor untuk mengukur medan magnetik lemah, sensor jarak dalam orde yang sangat kecil (proxymeter sensor) dan sensor pengukuran magnetik pasir besi, sensor pengukuran medan magnet batuan magentik dan sensor arus dc. Secara garis besar tahapan-tahapan penelitian yang akan dilakukan pada tahun I1 ditampilkan dalam skema berikut:
Sensor medan magnet lemah
I
Sensor jarak
Sensor arus
I
I -
-
p a i n sistem mekanik sensor
.
1
I Kalibrasi dan karakterisasi
Publikasi dan laporan Akhir
Gambar 9. Alur Penelitian Tahun I1
BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Tahap Persiapan tahun I1
Pada tahap persiapanan ini kami mencoba meninjau ulang kembali proposal yang sudah dibuat untuk melihat skala priorotas bagian-bagian yang mungkin dikerjakan terlebih dahulu. Hal ini dilakukan untuk mensiasati waktu dan dana penelitian yang tersedia. Keterlibatan mahasiswa juga di evaluasi, pada tahap I1 ini masih terlibat 3 orang mahasiswa seperti pada Tabel 2. Ketiga mahasiswa ini adalah lanjutan dari tahun I yang belum selsesai pengerjaanya, ha1 ini dikarenakan permasalahan peralatan kalibrasi yang sulit untuk menemukannya. Saat ini ketiga mahsiswa tersebut sudah selesai mengerjakan tugas akhirnya dan telah. Tabel 2. Daftar Nama Keterlibatan Mahasiswa No
1
NamaNM Rezy
Prima, Pembuatan Sistem Pengukuran Jarak Benda Digital
8417812007 2
Airin
Ahad
8417512007
3
Judul Proposal Berbasis Sensor Flugate
Dini, Perancangan Sensor Batuan Magnetik Berbasis Elemen Fluxgate
Febri Nanda Parsito, Desain dan Pembuatan AIat Ukur Medan Magnetik 8417812007
Pasir Besi berbasisflugate
B. Hasil Pengembangan Sensor Fluxgate PCB ke arah Aplikasi
1. Aplikasi Sensor Fluxgate terhadap Pengukuran Jarak a.
Rancangan Mekanik Sistem Pengukuran Jarak Benda Digital Sistem pengukuran jarak benda digital berbasis sensorfluxgateini dirancang
bisa bekerja dan menghasilkan data yang akurat sehingga harus memenuhi spesifikasi tertentu. Spesifikasi merupakan pendeskripsian secara mendetail produk
hasil penelitian.Secara umum ada dua tipe spesifikasi yaitu spesifikasi performansi dan spesifikasi desain.Spesifikasi performansi mengidentifikasi fungsi-fungsi dari setiap komponen pembentuk sistem.Spesifikasi performansi biasa disebut juga dengan spesifikasi fungsional.Spesifikasi desain atau spesifikasi produk menjelaskan tentang ketepatan dan ketelitian dari sensor, toleransi, bahan pembentuk sistem, ukuran sistem, dimensi sistem.
Gambar 10. Desain Perangkat Keras Sistem Pengukuran Jarak
b.
Rancangan Sistem Elektronika Pembuatan sistem pengukuran jarak
benda digital berbasis sensor
Jmgatedibangun oleh beberapa rangkaian elektronika. Secara umum blok diagram secara keseluruhan adalah sebagai berikut :
I
Catu Daya Teregulasi
I I I I
Sensor
Mikrokontroller
Fluxgate
ATMEGA 8535
I I I I I
I
I I
1 I
Tegangan Keluaran
Display
Sebagai Fungsi
Gambar 1 1. Blok Diagram Sederhana Sistem Pengukuran Jarak
I I I I I I
c.
Desain Perangkat Lunak Desain perangkat lunak dari sistem ini berupajZ~~vchart dari program untuk
mikrokontroler menggunakan bahasa bascom.Flo~vchart dari sistem pengukuran jarak benda digital berbasis sensorfluxgate dapat dilihat pada Gambar 12
/
/
Salam pembuka pada LCD
Konversi nilai ke mm
T Tanlpilkan hasil di LCD
I
Berikan tundaan secukupnya
(
Gambar 12. FlowchartSistem Pengukuran Jarak d. Hasil Pengukuran dan Pembahasan Hasil penelitian dan pembahasan pada bab ini akan difokuskan pada penjelasan mengenai sistem yang dibuat secara terperinci, termasuk data hasil Pengukuran. Data yang diperoleh dari hasil pengukuran memiliki arti yang penting dari suatu penelitian eksperimen. Berdasarkan data yang diperoleh dapat digambarkan hubungan antara suatu besaran dengan besaran lain yang terdapat pada sistem pengukuran jarak benda digital berbasis sensor j7zagate.Untuk mengetahui
bagaimana hasil dari perhitungan ketepatan dan ketelitian dari alat ukur jarak ini diperlukan analisis data yang diperoleh.Penyajian data yang diperoleh dapat dinyatakan dalam bentuk tabel dan grafik. Analisis data yang dilakukan pada sistem pengukuran jarak benda ini meliputi pengaruh perubahan jarak terhadap tegangan keluaran sensor, tegangan keluran
penguat,
ketepatan
dan
ketelitian
sistem.
Untuk
menyelidiki
pengaruhperubahan jarak terhadap tegangan keluaran sensor dapat dilakukan dengan cara memvariasikan jarak yang akan dirubah. Data yang diperoleh dapat diplot grafik dengan menempatkan jarak pada sumbu horizontal (X) dan tegangan sensor pada sumbu vertikal (Y), seperti pada Gambar 13.
4.5 4
c - 3.5 0
>
w
3
2.5
cj
2 cj
1.5 1
0.5 0
0
5
10
15
20
Jarak (mm) Gambar 13.Grafik Pengaruh Jarak Terhadap Tegangan Keluaran Gambar 13 terlihat bahwa titik-titik pengukuran data menunjukkan tegangan keluaran dari sensorj7mgate 261 berbanding terbalik dengan perubahan jarak yang diberikan. Kecenderungan hasil dari hubungan tegangan keluaran dengan jarak berupa polynomial melalui pendekatan polynomial orde 2 diperoleh persaman fungsi transfer dari tegangan keluaran sensor yaitu:
VO=0.0245x2 - 0 . 6 2 2 ~+ 3.977 (24) Dari persamaan dapat dijelaskan angka 0.0245 adalah konstanta penggali untuk variabel x 2 , angka -0.622 adalah konstanta penggali untilk variabel X. Angka 3.977 Volt merupakan nilai tegangan keluaran sensorfIwcgare pada saat jarak sensor ke magnet 0 mm. Koefisien determinasi pendekatan polynomial orde 2 diperoleh sebesar 0.9876, artinya 98.7 % tegangan keluaran sensorfluxgate dipengaruhi oleh jarak magnet dengan sensor. Sensitivitas dari sensor fluxgate 261 dapat ditentukan dengan cara menurunkan persamaan (24), sehingga diperoleh persamaan senitivitas sensor fluxgate 261 adalah: S = 0 . 0 4 9 ~- 0.622 (25) Dari persamaan (25) dapat dikatakan bahwa sensitivitas sensorfluxgate 261 tidak konstan. Nilai sensitivitasnya akan berubah sesuai dengan jarak magnet yang diberikan pada sensor. Angka 0.049 adalah konstanta penggali untuk variabelx dan angka -0.622 dapat diartikan sebagai besar sensitivitas sensor fluxgate 261 pada jaraksama dengan nol. Untuk mengetahui ketelitian dari sensorfluxgate 2 6 1, melakukan pengukuran berulang, yaitu pengukuran untuk setiap variasi tegangan
sebanyak 10 kali
perulangan. berdasarkan pengukuran dapat ditentukan tegangan rata-rata, dan ketelitian. Berdasarkan data pengukuran berulang diperoleh hasil analitik yang diperlihatkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Data Statistik Ketelitian Dari Sensor Fluxgate 261 No
Jarak (mm)
1
2.0
2.908
2
4.0
1.726
3
6.0
4 5
V
rata-rata
V
* AV
2.908 =t0.25
Ketelitian 1 .OOO
0.992
* 0.25 0.992 * 0.25
0.999
8.0
0.552
0.552
* 0.25
0.998
10.0
0.313
0.3 13 2 0.25
0.998
1.726
0.999
Dari tabel 3 dapat dilihat hasil dari data statistik ketelitian dari sensorfluxgate 261 didapat ketelitian sensor berdasarkan pengukuran berulang sebanyak 10 kali terhadap tegangan keluaran dengan variasi jarak 2,4,6,8 dan 10 milimeter. Semakin besar jarak maka tegangan keluaran rata-rata dari sensor semakin kecil, sehingga ketelitian dari sensor juga semakin kecil. 1. Spesifikasi Performansi Sistem Pengukuran J a r a k Spesifikasi performansi sistem merupakan pengidentifikasian atau penguraian hngsi setiap bagian pembentuk sitem pengukuran jarak. Sistempengukuran jarak ini menggunakan magnet dengan pengindera sensor fluxgateZ61, merupakan sistem pengukuran
yang dibuat mampu mengukur jarak dalam orde millimeter.Sistem
Pengukuran jarak ini dibuat dengan ukuran panjang sekitar 30 cm dan lebar 20 cm dengan kapasitas pengukuran dari 7 milimeter samapi 15 milimeter. Bagian dari sistem dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 14. Foto Sistem Pengukuran Jarak Tampak Depan Dari Gambar 14 dapat dilihatsistem pengukuran jarak terdiri dari 3 bagian utama.Pertama tempat mikrometer sekrup, yang berfungsi sebagai alat standar.Kedua tempat letaknya magnet batang dan sensorJluxgate Z6I.Ketiga ruang alat yang berfungsi sebagai tempat rangkaian elektronika. Rangkaian elektronika pembentuk sistem yang dirancang sedemikian rupa,ditempatkan pada ruang yang disebut ruang alat seperti yang terlihat pada Gambar 15.
Gambar 15. Rangkaian Elektronika Sistem pengukuran Jarak Sistem minimum mikrokontroler berfungsi untuk mengaktifian kerja mikrokontroler. Mikrokontroler bertugas melakukan proses deteksi data masukan,
mengolah data dan mengatur keluaran sesuai dengan fungsi sistem yang dikehendaki. Bentuk rangkaian mikrokontroler dalam sistem pengukuran jarak benda digital dapat dilihat pada Gambar 16.
Gambar 16. Rangkaian Mikrokontroler ATMEGA 8535 Untuk menjalankan aktivitas tersebut mikrokontroler dihubungkan dengan beberapa
perangkat
eksternal
baik
it11
sebagai
masukan
ataupun
keluaran.Mikrokontroler memiliki saluran I/O sebanyak 32 buah, saluran yang dipakai diantaranya port PA0 (kaki 40) dihubungkan dengan keluaran sensorfluxgate. Port A merupakan pin I/O dua arah dan pin masukan ADC, sehingga keluaran dari sensor fluxgatetersebut akan dibaca oleh ADC dan kemudian data d ikalkulasikan denganrumusan tertentu sehingga pada tahap berikutnya sistem dapat menentukan berapa jarak. Port C digunakan sebagai output yang terhubung dengan LCD. Rangkaian instrumentasi digunakan untuk memperkuat tegangan keluaran dari sensor flwcgatesebelum di inputkan ke mikrokontroler, untuk lebih lanjut diproses oleh ADC.Tujuan penggunaan regulator tegangan agar tegangan keluaran yang dihasilkan tetap 5 Volt walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukan. Disamping itu rangkaian ini juga dilengkapi dengan LED yang berfungsi sebagai indikator ketika sistem dinyalakan.
Untuk menampilkan hasil pembacaan sistem pengukuranjarak ini, digunakan sebuah LCD 2x16.Pada LCD akan ditampilkan jarak yangterukur. Jarak yang ditampilkan dalam satuan millimeter.Tampilan LCD dapat dilihat pada Gambar 17.
Gambar 17. Tampilan Output Sistem Pengukuran Jarak Pada LCD Dalam mengoperasikan sistem pengukuran ini terdapat tombol ONJOFF yang berfungsi untuk menghidup dan mematikan sistem pengukuran. Setelah tombol dalam keadaan ON, LCD akan menampilkan bacaan jarak dalam orde millimeter (mm). Sistem pengukuran jarak ini akan terpengaruh oleh medan magnet bumi, karena alat ini berada pada orde yang lemah. 2.
Spesifikasi Desain Sistem Pengukuran Jarak
a.
KetepatanDari Sistem Pengukuran Jarak Ketepatan pengukuran ditentukan dengan membandingkan data hasil
pengukuraan sistem dengan pengukuran alat ukur standar.Pengambilan data dilakukan setiap perubahan jarak 0.5 milimeter.Melalui perhitungan dapat ditentukan nilai rata- rata, persentase kesalahan, ketepatan relatif dan persentase ketepatan yang dicantumkan pada Tabel 4. Tabel 4. Ketepatan Sistem Pengukuran Jarak Benda Digital Berbasis Sensor Fluxgate
No
AUS(mm)
AUB
Persen
Ketepatan
Persen tase
(mm)
Kesalahan
Relatif
Ketepatan
1
2
3
4
5
6
1
0.0
0.0
0%
1.ooo
100.00%
Dari Tabel 4. hubungan antara alat ukur standar dengan alat ukur yang dibuat diperoleh data persen kesalahan, ketepatan relatif dan persentase ketepatan.Pada tabel ketepatan sistem pengukuran jarak digital berbasis sensor fluxgate didapat persen kesalahanpengukuran ketepatan sebesar 12 %, ketepatan Relatif pengukuran sebesar 0.875 dan persentase ketepatanya sebesar 87.53 %. b.
Ketelitian Dari Sistem Pengukuran Jarak Untuk
mengetahui
ketelitian
dari sistem
pengukuran jarak
benda
digitalMelakukan pengukuran berulang, yaitu pengukuran untuk setiap variasi jarak sebanyak 10 kali perulangan, data pengukuran ketelitian dapat dilihat pada lampiran 2.berdasarkan pengukuran dapat ditentukan nilai rata-rata, standar deviasi, persentase kesalahan , persentase simpangan dan ketelitian. Berdasarkan data pengukuran berulang diperoleh hasil analitik yang diperlihatkan pada Tabel 5. Tabel 5. Data Statistik Ketelitian Sistem Pengukuran
33
16.0
0.000
1.OOO
0.000
Rata-Rata
0.003
0.831
0.337
Dari Tabel 5 dapat dilihat hasil dari data ststistik ketelitian sistem pengukuran jarak benda digital berbasis sensor fluxgatedidapat hasilketelitian
berdasarkan pengukuran berulang sebanyak 10 kali sebesar 0.83 1 dan persentase kesalahan relatifnya sebesar 0.337 % dengan standar deviasi 0.003.Dengan demikian ketelitian dari sistem pengukuran jarak benda digital termasuk tinggi.
Pembahasan Berdasarkan analisis terhadap sistem pengukuran jarak didapat data-data mengenai tegangan keluaran pada sensorflwcgateZ6 1 berupa hubungan variasi jarak magnet dengan sensorfluxgate 261 terhadap tegangan keluaran sensor. Berdasarkan analisis data yang telah dilakukan dapat dikemukakan bahwa, tegangan keluaran pada sensor fluxgateZ61 berbanding terbalik dengan perubahan jarak. Gejala yang ditunjukkan dari hasil pengukuran terlihat bahwa sensor flwcgateZ61 memiliki ketelitian yang baik, sehingga dengan keunggulan tersebut sensorfluxgateZ61 dapat digunakan sebagai sensor jarak pada sistem pengukuran jarak. Hal ini sesuai dengan karakteristik statik pada sensorfluxgateZ61 yang terdapat pada data sheet sensor. Dari hasil analisis data sistempengukuran jarak dengan keluaran digital didapatkan ketepatan rata-rata pengukuran sebesar0.875. Pada pengukuran berulang untuk setiap variasi jarak benda menunjukkan hasilyang hampir sama.
Hal ini
menyebabkan ketelitian rata-rata bernilai 0.831 dengan standar deviasi 0.003 dan kesalahan relatif 0.337%. Kondisi ini terjadi karena pemograman mikrokontroler menggunakan data interval ADC, jika data dimasukkanmulai dari jarak 0 sampai 16mm dengan interval 0.5 mm. Untuk jarak diantara interval tersebut, maka jarak yang muncul adalah jarak batas bawah atau batas atas. Jika jarak tersebut lebih mendekati interval jarak bawah, maka yang ditampilkan jarak interval bawah tersebut, begitu juga sebaliknya untuk setiap pengukuran.
Sensor jlwcgate termasuk sensor medan magnet yang sangat sensitif, oleh sebab itu untuk mencari kestabilan sensor tersebut sangat sulit. Dalam pembuatan sistem pengukuran jarak benda, keluaran sensorfluxgateZ6ldapat berubah apabila posisi sensor bergesar dari posisi awal. Untuk mengurangi sensitivitas dari sensor makanya digunakan sensor dengan lilitan yang lebih sedikit, dengan begitu akan dihasilkan range pengukuran yang lebih besar. Hasil pengukuran jarak yang diambil, dari analisis data didapatkan ketepatan rata-rata0.875, sedangkan ketelitian rata-rata sistem pengukuran berulang 0.83 1. Dari hasil analisis sistem pengukuran jarak yang dirancang, maka sistem pengukuran jarak dengan pengindraan sensor Fluxgate ini layak digunakan dalam bidang perdagangan dan sebagai alat ukur jarak di laboratorium. Disisi lain sistem pengukuran jarak benda digital yang dibuat masih mempunyai beberapa kelemahan dan keterbatasan diantaranya; Kelemahan pertama, susahnya cara menentukan posisi utara dan selatan dari sistem pengukuran jarak benda, supaya sistem pengukuran jarak benda tegak lurus terhadap medan magnet bumi, ha1 ini disebabkan karena tidak adanya penunjuk arah mata angin disistem pengukuran jarak benda yang dibuat, Kelemahan Keduaskala terkecil yang terbaca bagus oleh sensor pada sistem ini adalah 7.0 mm dan skala terbesar yang terbaca bagus pada sistem ini adalah 15 mm, sedangkan skala yang terbaca antara 1.5 mm sampai 6.5 mm terdapat selisih 0.5 mm dengan alat ukur standar, ha1 ini disebabkan karena posisi magnet batang dengan posisi sensor fluxgate 261 terlalu jauh. Kelemahan ini dapat diantisispati dengan cara mendekatkan posisi magnet batang dengan sensorfluxgate 261, dengan ha1 itu maka range pengukuran bisa lebih lebar.
Kelemahan ketiga, karena penilitian tidak dilakukan di ruang faraday, maka kalibrasi dari alat harus dilakukan dengan cara mengubah posisi sensor.Hal ini dapat memepengaruhi hasil dari keluaran sensor. Kelemahan ini dapat diatasi dengan caramelakukakan pengukuran dan pengambilan data diruang faraday, sehingga hasil keluaran dari sistem ini tidak dipengaruhi oleh medan magnet bumi. Kelemahan keempat, terjadinya pemutusan arus oleh PLN dan sistem pengukuran yang dirancang tidak memiliki sambungan otomatis dengan sumber listrik cadangan, yang menyebabkan sistem pengukuran jarak benda digital tidak bisa dioperasikan lagi. Oleh sebab itu seharusnya dibuat sambungan otomatis dengan sumber listrik cadangan sehingga tidak merusak sistem pengukuran jarak yang dibuat. Dalam lanjutan dari penelitian juga diharapkan pada pembuatan sistem pengukuran jarak benda digital berbasis sensor fluxgateini memiliki skala terkecilnya O.OOmm, upaya yang dilakukan salah satunya dengan menggunakan mikrokontroler yang memiliki ADC dengan resolusi tinggi dan sensor yang digunakan memiliki lilitan yang lebih banyak, sehingga mampu untuk membaca perubahan medan magnet dalam orde milimeter. Sistem pengukuran yang dirancang belum memiliki sumber catu daya tersendiri, sehingga disaat PLN mati sistem tidak bisa digunakan. Dalam kelanjutan dari pembuatan alat ukur jarak ini, akan lebih efektif menggunakan sumber catu daya tersendiri. Salah satu upaya yang bisa dilakukan adalah dengan membuat tempat sumber catu daya seperti batere. Sistem diharapkan memiliki kemampuan pengukuran
sesuai dengan
kemampuan sensor fluxgate. Dalam kelanjutan pembuatan sistem ini sangat
diharapkan menemukan cara penggunaan sensor pada sistempengukuran jarak agar tidak terpengaruh oleh medan magnet bumi, sehingga pada saat dilakukan pengukuran sistem dapat digunakan walaupun posisinya berubah- ubah.
2. Aplikasi Sensor Fluxgate untuk Pengukuran Magnetik Pasir Besi 1. Rancangan mekanik sistem pengukuran medan magnetik pasir besi Rancangan mekanik alat ukur magnetik berbasis sensor fluxgate ini dapat dilihat pada Gambar 1 8.
Gambar 18. Perangkat Keras Sistem Pengukuran MagnetikPasir Besi Perangkat keras sistem pengukuran magnetik pasir besi ini berupa sebuah kotak yang terbuat dari bahan kaca plastik. Dimensi dari kotak tersebut yaitu: panjang 18 cm lebar 5 cm dan tinggi 25 cm. Pada bagian depan sistem terdapat LCD sebagai tampilan data, tomb01 OnIOff untuk menghidupkan dan mematikan sistem. Di sisi bagian samping terdapat sebuah colokan sebagai sumber listrik 220 volt untuk mengaktifkan sistem. Sensor &gate
sangat sensitif terhadap besi dan bahan ferromagnetik
lainnya.Oleh sebab itu tempat sampel dan sensor fluxgate dibuat terpisah dari rangkaian utama, ha1 ini bertujuan agar sensor tidak terpengaruh oleh besi yang ada
pada rangkaian.Selain itu juga agar saat dilakukan pengukuran kita dapat dengan leluasa memutar dan memindahkan sampel. Posisi pemasangan sensor fluxgate tepat berada pada bagian samping dari tempat masuknya sampel.Jadi sensor flwcgate tidak langsung dipasang pada papan rangkaian melainkan dihubungkan dengan kabel penghubung.Ha1 ini dilakukan agar jarak antara sampel dengan sensor dapat diatur sedemikian rupa dan menghasilkan pengukuran magnetik pasir besi yang maksimal. Karena sample berupa pasir besi, maka harus di buat wadahnya. Sampel dari pasir besiakan dimasukkan kedalam wadah yang disebut holder, sehingga ketika waktu pengukuran magnetik dari pasir besi kita tinggal memasukkannya ke dalam holder. Jadi dengan adanya holder diharapkan massa dari masing-masing sampel yang kita ukur akan sama. Untuk lebih jelasnya mengenai holder tersebut dapat dilihat pada Gambar 19. 2,5m
Gambar 19. Holder Sampel Holder ini memiliki diameter 2.5 cm dengan tinggi 3 cm. Ukuran ini men?iuk pada ukuran holder yang digunakan pada alat ukur magnetic susceptibility meter. Tempat sampel ini harus terbuat dari bahan yang dapat ditembus oleh medan magnet seperti plastik, ha1 ini dimaksudkan agar saat melakukan pengukuran nilai yang dihasilkan tidak dipengaruhi oleh tempat tersebut.
2. Rancangan sistem elektronika. Pembuatan sistem pengukuran magnetik pasir besi ini dibangun oleh beberapa rangkaian elektronika. Rangkaian pembangun sistem antara lain rangkaian pengolah sinyal yang terdiri dari penguat instrumentasi, buffer dan mikrokontroler. Secara umum blok diagram sistem secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 20.
i I Catu daya teregulasl
-.-.-
-
Sensor fluxgate
t
+
I
,,=aq.
Mikrokontroler ATMEGA 8535
- -.
..-.
4
LCD
1
1
Gambar 20. Blok Diagram Alat Ukur Magnetik Pasir Besi Tegangan input 5 dan -5volt dari catu daya teregulasi akan mengaktifkan semua rangkaian. Sinyal keluaran dari rangkaian pengolah sinyal akan diteruskan ke
ADC mikrokontroler. Data dari ADC akan diolah oleh mikrokontroler dan ditampilkan di LCD sehingga nilai medan magnet yang terukur dapat dibaca dengan jelas. 3. Desain Perangkat Lunak
Desain perangkat lunak dari sistem ini berupaflowchart dari program untuk mikrokontroler menggunakan bahasa BASCOM. Flowchart dari alat ukur medan magnetik pasir besi berbasisj7mgate dapat dilihat pada Gambar 21.
e i~isialispriI/O dar? LCD
x?lpm pembuka pada L C D
I
e I Konversi nilai ke mTesla
g+p.yj!qa hasil di LCD
I
Berikan tundaan secukupnya
Gambar 21 .Flowchar Alat Ukur Magnetik Pasir Besi 4. Hasil dan Pembahasan
Data yang dihasilkan melalui pengukuran merupakan bagian yang penting dalam penulisan ini, karena melalui data tersebut dapat diungkapkan sifai-sifat dari data dan keterkaitan antara variabel. Melalui pengolahan data baik secara pengukuran maupun secara perhitungan memberikan gambaran kesesuaian antara kelinieran dan ketelitian. Data dan pengolahan data ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik. Dalam bab ini dikemukakan hasil analisis data yang diperoleh dan disesuaikan dengan tujuan penelitian yang ditetapkan. Penggambaran hubungan antara suatu besaran dengan besaran lain dilakukan dengan mengidentifikasi data yang diperoleh. Penyajian data yang diperoleh dapat dinyatakan dalam bentuk tabel dan grafik. Identifikasi data yang dilakukan pada
sistem pengukuran kuat medan magnet ini meliputi pengaruh perubahan kuat medan magnet terhadap tegangan keluaran sensor, kelinieran dan ketelitian sistem. Sistem pengukuran kuat medan magnet ini berbasis sensorfluxgafe 2.57 yang berfungsi sebagai pengindra kuat medan magnet pada sampel yang akan diukur. Sampel yang akan digunakan pada penelitian ini adalah pasir besi dari pantai sunur dan pantai masang, Pariaman, Sumatra Barat. Adapun bentuk fisik dari alat ukur kuat medan magnet pasir besi berbasis sonsorfluxgate ini dapat diperlihatkan pada Gambar 22.
Gambar 22. Alat Ukur Medan Magnetik Pasir Besi dan Sampel Secara umum sistem ini terdiri dari dua bagian utama yaitu: tempat kedudukan darisampel yang akan diukur kuat medan magnetnya, dan ruang sistem dimana didalamnya terdapat rangkaian power suplly, rangkaian pengolah sinyal dari sensorfluxgate dan rangkaian mikrokontroler serta LCD sebagai output kerja sistem pengukuran kuat medan magnet. Rangkaian mikrokontroler (MC), yang berfungsi sebagai tempat untuk masukkan program sesuai perintah yang diinginkan dari cara kerja sistem pengukuran kuat medan magnet. Bentuk Rangkaian Mikrokontroler dalam sistem pengukuran ini dapat dilihat pada Gambar 23.
Gambar 23. Rangkaian Mikrokontroler ATMEGA8535 Untuk menampilkan hasil pembacaan sistem pengukuran kuat medan magnet ini, digunakan sebuah LCD 2x16. Pada LCD akan ditampilkan kuat medan magnet yang terukur. Kuat medan magnet yang ditampilkan dalam satuan pT dengan ketelitian dua angka di belakang koma. Tampilan LCD dapat dilihat pada Gambar 24.
Gambar 24. Tampilan Output Sistem Pengukuran Medan Magnet Pada LCD Dalam mengoperasikan sistem pengukuran ini terdapat tombol ONIOFF yang berfungsi untuk menghidup dan mematikan alat ukur medan magnet. Setelah tombol dalam keadaan ON, LCD akan menampilkan salam pembuka kemudian bacaan kuat medan magnet dalam satuan pT. Alat ukur kuat medan magnet ini akan terpengaruh oleh medan magnet bumi, karena alat ini berada pada orde yang lemah. Alat ukur kuat medan magnet ini berada pada orde (-100.00 pT)-
100.00 pT, sedangkan
kuat medan magnet bumi *50 pT. Oleh sebab itu sebelum melakukan pengukuran alat dikalibrasi terlebih dahulu, yaitu dengan cara memutar posisi dari tempat sampel sampai angka pada LCD menunjukkan angka 0,00 pT. Saat LCD menujukkan angka
O.OOpT itu berarti sensor dalam keadaan tegak lurus dengan medan magnet bumi, pada keadaan ini berarti sensor tidak terpengaruh oleh medan magnet bumi. 3. Kelinieran dan Ketelitian Sistem Pengukuran Kuat Medan Magnet
a.
Kelinieran Sistem Pengukuran Kuat Medan Magnet
1) Kelinieran Medan Magnet dengan Arus pada Solenoida Kelinieran pengukuran ditentukan dengan membandingkan data hasil pengukuran sistem dengan kumparan solenoid. Berdasarkan persamaan kuat medan magnet yang dihasilkan kumparan solenoid akan sebanding dengan arus yang melaluinya. Semakin besar arus yang mengalir melalui kumparan maka medan magnet yang dihasilkan juga akan semakin besar. Sumber arus yang digunakan pada penelitian adalah sumber arus konstan, walaupun tahanan bebannya berubah-ubah tetapi arus yang dihasilkan tetap sama. Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan arus pada kumparan solenoid dan dibandingkan dengan hasil pembacaan pada alat ukur medan magnet yang dibuat, seperti yang terlihat pada Lampiran 3. Hasil pengukuran perubahan medan magnet terhadap arus dapat dilihat di Lampiran 4. Dengan menggunakan bantuan MicrosoJ excel dapat ditentukan kelinieran hubungan arus dengan medan magnet seperti terlihat pada Gambar 25.
I
GRAFIK HUBUNGAN ANTARA ARUS DAN TEGANGAN
I
Gambar 25. Grafik Hubungan antara Arus dan Medan Magnet
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa kelinieran hubungan antara arus dan medan magnet adalah 0.990 dengan selang pengukuran antara 0 p T sampai 100 pT. 2) Kelinieran Medan Magnet dengan Suseptibilitas Magnetik
Untuk mendapatkan hubungan antara medan magnet dengan suseptibilitas magnetik digunakan pasir besi sebagai sampelnya. Massa dari masing sampel bernilai sama, yang mana berat masing-masing sampel adalah 22 gram. Pasir besi yang digunakan terdiri enam sampel yang berbeda. Pada pengujian ini data yang diambil adalah medan magnet dan suseptibilitas dari pasir besi, seperti yang terlihat pada Lampiran 5 dan Lampiran 7. Data pada Lampiran 5 merupakan data pengukuran medan magnet menggunakan alat ukur yang dibuat. Dari lampiran 5 dapat diketahui bahwa nilai dari masing-masing sampel berubah-ubah ketika diputar. Foto pengambilan data medan magnet dapat dilihat pada lampiran 6 . Nilai negatif dan positif dari medan magnethanya untuk menentukan arah dari medan magnet. Untuk mendapatkan nilai medan magnet dari pasir besi maka yang diambil adalah nilai tertinggi. Sampel I, 11, 111, IV, V dan VI nilai medan magnetnya berturut turut adalah 5.54pT, 10.01pT, 16.48pT,30.50pT, 42.84pT dan 47.10pT. Seperti terlihat pada grafik pada Gambar
i
Grafik Medan Magnet Pasir Besi
I
Gambar 26. Nilai Medan Magnet dari Masing-Masing Sampel
Sedangkan dari Lampiran 7merupakan data pengukuran suseptibilitas menggunakan bartington. Dari sanadapat diketahui nilai rata-ratasuseptibilitas magnetik dari ke enam sampelpasir besi dengan tiga kali pengukuran berulang. Nilai rata-rata dari enam sempel secara berurutan mulai dari sampel I, 11, 111, IV, V dan VI adalah 1764.0, 2020.5,2593.5, 2769.7,400 1.5 , dan 4910,4. Kalau dalam bentuk grafik nilai suseptibilitasnya seperti yang terlihat pada Gambar 27.
I
~
-
- - -
-
.- ~
~
~
.-
-
Grafik Suseptibilitas Pasir Besi
1
6000
1
~
!
j
Gambar 27.NiIai Suseptibilitas dari Masing-Masing Sampel Dari kedua grafik di atas dapat dilihat kesebandingan antara medan magnet dan suseptibilitas. Nilai medan magnet dari sampel I sampai VI mangalami peningkatan begitu juga suseptibilitasnya. Untuk melihat hubungan antara medan magnet dengan suseptibilitas maka medan magnet dan suseptibilitas dibuat dalam satu grafik, seperti yang terlihat pada Gambar 28. [ I
I
i
-
-. - - -. - - - - . -GRAFIK HUBUNGAN ANTARA MEDAN MAGNET DAN SUSEPTlBlLlTAS
I
Gambar 28. Grafik Hubungan antara Medan Magnet dan Suseptibilitas
Dari Gambar 28 didapat hubungan yang tidak begitu linier antara medan magnet dan suseptibilitas. Hal ini disebabkan karena medan magnet dari setiap sampel tidak naik secara linier. Berdasarkan pada persamaan (12), ha1 ini juga terjadi karena medan magnet pada pasir besi tidak hanya dipengaruhi oleh suseptibilitas magnetik tetapi juga dipengaruhi oleh intensitas magnet (H), sehingga grafik yang dihasilkan begitu tidak lurus. Ketelitian Sistem Pengukuran Kuat Medan Magnet
b.
Untuk mengetahui tingkat ketelitian dari sistem pengukuran kuat medan magnet ini dilakukan dengan cara melakukan pengukuran berulang, yaitu pengukuran untuk setiap variasi pasir besi dilakukan sebanyak 10 kali pengukuran seperti terlihat pada Lampiran 8. Berdasarkan pengukuran dapat ditentukan nilai rata-rata, standar deviasi, persentase simpangan dan ketelitian. Berdasarkan data pengukuran berulang diperoleh hasil analitik statistik yang diperlihatkan pada Tabel 6. Tabel 6. Data Statistik Ketelitian Sistem Pengukuran Medan Magnet NO SAMPEL
I3
Ketelitian
AB
B*AB
KR(%)
5.537
0.994
0.021
5.537k0.021
0.374
1
I
B(lrTl 5.570
2
II
9.540
9.551
0.999
0.009
9.55 1*0.009
0.099
3
111
10.700
10.675
0.998
0.0 10
10.675*0.0 I0
0.093
4
IV
8.380
8.407
0.997
0.008
8.407*0.008
0.09 1
5
V
14.660
14.648
0.999
0.010
14.648*0.010
0.067
6
VI
4 1.690
4 1.728
0.999
0.01 5
4 1.728+0.015
0.036
Dari Tabel 4 terlihat bahwa alat memiliki ketelitian yang tinggi untuk pengukuran kuat medan magnet. Ketelitian rata-rata alat untuk 6 variasi pasir besi adalah 0.998 dengan standar deviasi 0.012 dan kesalahan relatif rata-rata 0.127%. Hal ini terjadi karena pada program digunakan skala terkecil 0.01 pT, sehingga pengukuran
berulang untuk sampel pasir besi yang sama akan menunjukkan hasil yang hampir sama untuk setiap pengulangan pengukuran. Berdasarkan analisis terhadap sistem pengukuran kuat medan magnet didapat data-data mengenai tegangan keluaran pada sensorflugate berupa hubungan variasi kuat medan magnet terhadap tegangan keluaran sensor. Berdasarkan analisis data yang telah dilakukan dapat dikemukakan bahwa: tegangan keluaran pada sensor fluxgate berbanding lurus dengan kenaikan kuat medan magnet. Gejala yang ditunjukkan dari hasil pengukuran terlihat bahwa sensor fluxgate memiliki ketelitian yang baik, sehingga dengan keunggulan tersebut sensor fluxgate dapat digunakan sebagai sensor medan magnet pada sistem pengukuran kuat medan magnet. Hal ini sesuai dengan karakteristik statik pada sensorfluxgate yang terdapat pada persamaan sensor itu sendiri. Dari hasil analisis data sistem pengukuran kuat medan magnet didapatkan kelinieran pengukuranmedan magnetterhadap arus sebesar 0.990. Pada pengukuran berulang untuk enam buah sampel pasir besi menunjukkan hasil yang hampirsama. Dari hasil perhitungan yang dilakukan didapat ketelitian rata-rata bernilai 0.998 dengan standar deviasi 0.012 dan kesalahan relatif 0.127%. Kondisi ini terjadi karena tegangan keluaran dari rangkaian pengolah sinyal ada yang bernilai positif dan negatif, sedangkan ADC yang digunakan hanya bisa untuk tegangan yang positif saja. Jadi saat tegangannya bernilai negatif ADC akan sedikit terganggu. Sensor fluxgate termasuk sensor medan magnet yang sangat sensitif, oleh sebab itu untuk mencari kestabilan sensor tersebut cukup sulit karena dipengaruhi oleh medan magnet bumi. Dalam pembuatan sistem pengukuran kuat medan magnet
ini, keluaran sensorfluxgate dapat berubah apabila posisi sensor diputar dari posisi awal. Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang lebih akurat sebaiknya dilakukan di ruang faraday atau dapat juga dilakukan dengan memposisikan sensor tegak lurus terhadap medan magnet bumi, dan medan magnet lainnya. Sensor dapat dikatakan tegak lurus dengan medan magnet bumi dan medan magnet lainnya apabila alat ukur menunjukan angka pengukuran 0.00 pT. Karena pada keadaan tersebut medan magnetik yang mengenai sensor tegak lurus dengan garis normal luas permukaan solenoid, sehingga tidak adaflux magnet yang terbaca oleh sensor. Disisi lain sistem pengukuran medan magnet pasir besi yang dirancang masih mempunyai beberapa kelemahan dan keterbatasan diantaranya; Kelemahan pertama, skala terkecil pada sistem ini adalah 0.01 pT, ha1 ini disebabkan karena mikrokontroler hanya memiliki ADC 10 bit. Kelemahan kedua, karena penelitian tidak dilakukan di ruang farraday, maka kalibrasi dari alat harus dilakukan dengan cara mengubah posisi sensor tegak lurus medan magnet bumi. Kelemahan ketiga, apabila terjadinya pemutusan arus oleh PLN dan sistem pengukuran yang dirancang tidak memiliki sambungan otomatis dengan sumber listrik cadangan, yang menyebabkan sistem pengukuran medan magnet ini tidak bias dioperasikan lagi. Dalam lanjutan dari penelitian juga diharapkan pada sistem pengukuran kuat medan magnet dengan pengindraan sensorflwcgate ini memiliki skala terkecilnya I pT, upaya yang dilakukan salah satunya dengan menggunakan mikrokontroler yang memiliki ADC dengan resolusi tinggi dan sensor yang digunakan memiliki lilitan yang lebih banyak, sehingga mampu untuk membaca perubahan medan magnet dalam orde nT.
Sistem pengukuran yang dirancang belum memiliki sumber catu daya tersendiri, sehingga disaat PLN mati sistem tidak bisa digunakan. Dalam kelanjutan dari pembuatan sistem pengukuran medan magnet ini, akan lebih efektif menggunakan sumber catu daya sendiri karena tegangan yang dibutuhkan oleh sistem hanya 5 Volt. Salah satu upaya yang bisa dilakukan adalah dengan membuat tempat sumber catu daya seperti batere. Sistem diharapkan
memiliki kemampuan
pengukuran
sesuai dengan
kemampuan sensor flzucgate. Dalam kelanjutan pembuatan sistem ini sangat diharapkan menemukan cara penggunaan sensor pada sistem pengukuran kuat medan magnet agar tidak terpengaruh oleh medan magnet bumi. Sehingga pada saat dilakukan pengukuran sistem dapat digunakan walaupun posisinya berubah- ubah. Misalnya dengan cara membuat tempat kedudukan sampel dari bahan yang tidak dapat ditembus oleh medan magnet. Padang, 24 November 201 2 Ketua Peneliti
Dr. Yulkifli, S.Pd.,M.Si.
NIP. 19730702 200312 1 002
Personalia Tenaga Peneliti --
No
-
Nama dan Gelar
Bidang Keahlian
Instansi
Akademik 1
Dr. Yulkifli, S.Pd., M.Si
Fisika Instrumentasi & Elektronika
UNP
2
Drs. Asrizal, M.Si
Fisika Instrumentasi & Elektronika
UNP
3
Dr.-Ing. Mitra Djamal
Fisika Instrumentasi & Elektronika
ITB
DAFTAR PUSTAKA
Agfianto Eko Putra. 2002. Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 Teori dun Aplikasinya. Yogyakarta: Gava Media. Ando, B., S. Baglio, V. Caruso, V. Sacco, A. Bulsara: 2006: Multilayer Based Technology to Bulid RTD Fluxgate Magnetometer, J. Sensor & Transduser Magazine, (S&T e-Digest), 65 pp. 509-5 14. B. Ando, salvatore B., Senoir Member, IEEE, Adi R. Bulsara, Vincenzo Sacco, 2004: Residence Times Defference Fluxgate magnetometers, IEEE Sensor Journal. 5. pp. 895-904. Baschirotto, A., E. Dallago, P. Malcovati, M. Marchesi, G. Venchi, 2004: Fluxgate Magnetic Sensor in PCB Technology. IMTC 2004, Como, Italy. Baschirotto, A., Dallago, E., Malcovati, P., Marchesi, M. dan Venchi, G. (2006): Development and Comparative Analysis of Fluxgate Magnetic Sensor Structure in PCB Tecnology, IEEE Transaction on Mangetics, 42No. 6 pp. 1670-1680. Belloy, E., Gilbert, S.E., Dezuari, O., Sancho, M. dan Gijs, M.A.M. (2000): A Hybrid Technology for Miniaturised Inductive Device Applications, J. Sensor and Actuator, 85, pp 304-309. Bijaksana, S. 2002. Kajian Sifat Magnetik Pada Endapan Pasir Besi diwilayah Cilacap dun Upaya Pemanfaatannya untuk Bahan Industri Laporan Penelitian Hibah Bersaing, ITB. Caruso, M.J, dan B, Tamara (1998) : A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Sensor Magnazine, Magnetic Sensor, Tersedia di www.ssec.honeywell.com. 2007. Chiesy,L., Kejik., P., Janosossy, B. dan Popovic, R.S. (2000): CMOS Planar 2D Micro-Fluxgate Sensor, Sensor and Actuator, 82, pp, 174-180. Choi, W.Y., Hwang, J.S. dan Choi, S.O. (2004): The Microfluxgate Magnetic Sensor Having Closed Magnetic Path. IEEE Sensors Journal, vol. 4, no. 6, pp. 768- 771. Data Sheet.(2008). Mikrokontroer AT89S8252.www.atmel.com .Diakses 27 Agustus 2011.
Dezuari, O., Belloy, E., E, Scott , Gilbert and Gijs, M.A.M. (1999): New Hybrid Technology for Planar Fluxgate Sensor Fabrication, IEEE Transaction on Magnetics, 35, pp. 2 1 1 1-2 1 17. Dezuari, O., E. Belloy, S.E. Gilbert, M.A.M. Gijs, 2000: Printed circuit board integrated fluxgate sensor. Sens. Act., vol. 81, pp. 200-203. Djamal, M., dan Setiadi, R.N. (2006a): Pengukuran Medan Magnet Lemah Menggunakan Sensor Magnetik Fluxgate dengan Satu Kumparan Pick-Up, Jurnal Proceedings ITB. Djamal, M. dan Barmawi, M. (2006b) : Design and development of magnetic sensors based on giant magnetoresistance (GMR) materials, J. Materials Science Forum Vols. 517, pp. 207-21 1 Djamal, M., Rahmonandia, N.S., Yulkifli,: Preliminary Study of Vibration Sensor Based on Fluxgate Magnetic Sensor, Proc. ICMNS, Bandung, Indonesia. 2008 Djamal, M., Yulkifli: Fluxgate Sensor and Its Application, Proc. ICICI-BME, November, 23-25,2009, Bandung.(IEEE Xplore, 18 Februari 20 10). Djamal, M. (2010): Pidato Olmiah Guru Besar Prof. Mitra Djamal, Institut Teknologi Bandung, Bandung Fan, J., Li, X.P dan Ripka, P. (2006): Low Power Ortogonal Sensor with Electroplated Ni8OFe201Cu Wire. J. of Apllied Physics, 99, pp. 08B3 1 1 1 08B3 113 Fraden, J. (1996) : Handbook of Modern Sensor. New York, Springer-Verlag New York, Inc. Grueger, H., Gottfried-Gottfried, R. (2000): CMOS Integrated Two Axes Magnetic Field Sensors - Miniaturized Low Cost System With Large Temperature Range", Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems IMS , Preparation, Propoerties, and Applications of Thin Ferromagnetic Films, pp. 35-38. GBpel, W., Hesse, J. dan Zemel, J.N. (1989) : Sensors, A Comprehensive Survey, Magnetic Sensors, VCH Publishers Inc., Suite. Hinnricsh, C., Stahl, J., Kuchenbrandt, K. dan and Shiling, M. (2001): Dependence of Senitivity and noise if Fluxgate Sensors on Racetrack Geometry, IEEE Trans. Magn., 37 No. 4,2001, pp. 1983-1985. Hufri, Yulkifli, 2009: Sensor Magnetik Fluxgate Menggunakan Kumparan Pick-up Ganda, diterbitkan di Jurnal Invotek ,FT Univ. Negeri Padang . Hwang, J.S., Park, H.S., Shim, D.S., Na, K.W., Choi, W.Y. dan Choi, S.O. (20034; Electronic Compas Using Two-axis Micro Fluxgate Sensing Element, The 12 International Conference on Solid State Sensors, Actuactor dan Microsystem, Juni 8-12, Boston Intechno. (2009): Sensor Market 2008, Intechno Consulting, Basle, Switzerland, 05. Iwangeodrs.2011. Jenis-Jenis Batuan. Pembelajaran Geografi Online SMA Muhammadiyah 1 : Tasikmalaya. Janosek, M. dan Ripka, P. (2009): PCB sensors in fluxgate magnetometer with controlled excitation, Sensor and Actuactor A, 151, pp 141- 144 Juliadarma,Viny.2007. Karakterisasi Magnetik Pasir Besi Sebagai Bahan Dasar Pembuatan Semen Menggunakan Metoda Kemagnetan Batuan. Tugas Akhir, FMIPA: UNP. Kubik, J. (2006a): PCB Fluxgate Sensors, Docforal Thesis, Czech Technical University, Prague.
Kubik, J., L. Pavel, P. Ripka, 2006: PCB recetrack Fluxgate Sensor with Improved Temperatur Stability, J. Sensor and Actuator, 130, pp 184-188. Kaluza, F., Gruger, A. dan Gruger, H. (2003): New and Future Applications pf Flxgate Sensors, Sensor and Actuator, 106, pp. 48-5 1. Kawahito, S., Sasaki, Y., Sato, H., Nakamura, T. dan Tadokoro, Y. (1994): A fluxgate magnetic sensor with micro-solenoids and electroplated permalloy cores. Sensor and Actuactor A, vol. A43 1994), pp. 128-134. Kawahito, S., Satoh, H., Sutoh, M. dan Tadokoro, Y. (1996): High-resolution microfluxgate sensing elements using closely coupled coil structures. Sensor and Actuactor. A, vol. 54, pp. 6 12-6 1 7. Kawahito, S., Y. Tadakoro, 1996: High-Performance Micro Fluxgate Magnetics Sensors, International Conference on Microelectronics ICME, H.R , P. 85-89., 16-17 Januari Bandung, Indonesia Kawahito, S., Cerman, A., Aramaki, K. dan Tadokoro, Y. (2003): A Weak Magnetic Field Measurement System Using Micro-Fluxgate Sensors and Delta-Sigma Interface, IEEE Trans. On Inst. And Meas., Vol 52, No. 1, pp. 103-1 10 Lei, C., Wang, R., Zhou, Y., dan Zhou, Z. (2009): MEMs micro fluxgate sensors with mutual vertical excitation coils and detection coils, Microsyst Tecnol, Technical Paper, pp. 969-972. Liu, S. (2006): Studi on the low power consumption racetrack fluxgate, Sensor and Actuator, 130, pp. 124-128. Litbang Pengolahan Minera1.2009. Pemanfaatan Mineral Al-Silikat Untuk Bahan Katalis Hydrocarbon Cracking Minyak Bumi. Kementrian ESDM: Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara. Meijer, G.C.M., (ed.), (2008): Smart Sensor System, John Willey & Sons, 2008. Misykah. 2006. Penentuan Jenis Mineral Magnetik pada Pasir Besi di Beberapa Daerah di Sumatra Barat dengan Menggunakan Metoda Ishotermal Remanent Megnetization (IRbfl. Padang, UNP. Mufit, Fatni, dkk. 2006. Kajian tentang Sfat Magnetik Pasir Besi dari Pantai Sunur, Pariaman,Sumatra Barat. Jurnal Geofisika. Moldovanu, A., Diaconu, E.D., Moldovanu, E., Macovei, C., Moldovanu, B.O. dan Bayreuther, G.. (2000): The applicability of Vitrovac 6025 X ribbons for parallelgated configuration sensors, Sensors and Actuactor A, vol. 81, pp. 193196. Park, H.S., Hwang,J.S., Choi, W.Y. dan Shim, D.K. (2004): Development of MicroFluxgate Sensors with Electroplated Magnetic Cores for Electronic Compas, Sensor and Actuator, 114, pp 224-229. Perez, L., Aroca, C., Sinchez, P., Lbpez, E dan Sinchez, M.C. (2004): Planar fluxgate sensor with an electrodeposited amorphous core. Sensor and Actuactor A, vol. 109, pp. 208-21 1. Ripka, P. (2001a) : Mangetic Sensor and Magnetometers, Artec House. Ripka, P., Kawahito, S., Choi, S.O., Tipek, A. dan Ishida, M. (2001b): Microfluxgate Sensor with Close Core, Sensor and Actuator, A 9. pp. 65-69 Ripka, P., Choi, S., Tipek, A, Kawahito, S. dan Ishida, M. (2001~):Pulse Excitation of Micro-Fluxgate, Sensors. IEEE Trans. Mag., vol. 37, no. 4, pp. 1998-2000. Ripka, P., 2003: Advances in fluxgate Sensor, J. Sens. and Actuators A, Vol. 106, pp. 8-14.
Ripka, P., 2008: Sensors based on bulk soft magnetic materials: Advances and challenges Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320 , pp. 24662473. Ripka, P., Li, X.P. dan Fan, J. (2009): Multiwire core fluxgate, Sensor and Actuactor A*., Saragi, T. ( 2005) : Pengembangan Reaktor Opposed-Target Magnetron Sputtering (OTMS) untuk Penumbuhan Lapisan Tipis Giant Magnetoresistance (GMR), Disertasi Program Doktor Departemen Fisika, Institut Teknologi Bandung. SELC, 2008: Penuntun Layanan PCB Purwarupa, SELC Sumber elektronic, Bandung. Smith, C.H, dan Scheneider, R. (1998): A New Perspective on Magnetic Field Sensing, Sensor Magnazine, Magnetic Sensor, Tersedia di www.nve.com. 2007. Tipek, A., OYDonnell,T dan Kubik, J. (2005): Excitation and Temperature Stability of PCB Fluxgate Sensor, IEEE Sensors Journal, Vol5, No. 6, pp. 1264-1270. Tipek, A., Ripka, P., OYDonnell,T. dan Kubik, J. (2004): PCB Technology Used Fluxgate Sensor Construction, Sensor and Actuator, 115, pp. 286-292. Tipek, A., T. OYDonnell,A. Connel, P. McCloskey, S.C. O'Mathuna, 2006: PCB Fluxgate Current Sensor with Saturable, Inductor, J. Sensor and Actuator, 132, pp. 21-24. Triyanto,Yuli.2002.PemetaanNilai Suseptibilitas Magnetik Tanah Lapisan Atas Di Kodya Surakarta Menggunakan Bartington Ms2 Sebagai Indikator Pendebfan Sebaran Logam.Tugas Akhir Mahasiswa, Universitas Sebelas Maret: Surakarta Traenkler, H.-R.:"Zukunftsmark Intelligente Hausinstrumentierung", Laporan pene1itian:"VerteiIte intelligente Mikrosysteme fuer den privaten Lebensbereich (VIMP)", Neubiberg, 4 Des. 1998, hal. 10-15 Traenkler, H.-R.:"Core Technologies for Sensor Systems", Proc. Indonesian German Conference, Juli 2001, ha!. 1-9. Traenkler, H.-R., Kanoun, O., Pawelczak, D. (2007): Evolution of Sensor Elements towards Smart Sensor Systems, Proc. Internasional Conference on Instrumentation, Communication and Information Technology (ICICI) 8-9 Agustus, ha!. 1-7. Vcelak, J., Petrucha, V. dan Kaspar, P. (2006): Compact Digital Compass with PCB Fluxgate Sensors, IEEE Sensors, Oktober 22-25, EXCO Korea Wahyudi, Ismu: 2009: Prototip Sensor Muai Berbasis Fluxgate Magnetometer, Tesis S2 ITB, Bandung Wang, Y., Liu, G., Xiong, Y., Yang J. dan Tian, Y. (2006): Fabrication ot the Three-dimensional Solenoid Type Micra Magnetic Sensor, J. of Physics: Conference Series, 34, pp 880-884. Yulkifli, Suyatno , Rahmondia N. Setiadi Mitra Djamal, 2007a: Linieritas Tegangan Keluaran Sensor Magnetik Fluxgate Menggunakan Elemen Sensor Multi-core, SNBM V, 5 September, Solo-Indonesia. Diterbitkan di Jurnal Sains & Materi Indonesia, BATAN Yulkifli, Rahmondia Nanda S., Suyatno, Mitra Djamal, 2007b: Designing and Making of Fluxgate Sensor with Multi-Core Structure for Measuring of Proximity, Procd.CSSI 2007, Serpong Tanggerang- Indonesia.
Yulkifli, Rahmondia N. S., Mitra Djamal, Khairurrijal, Deddy Kurniadi, 2007c: The Influences of Ferromagnetic cores, Pick-up Coil Winding Numbers, and Environmental Temperature to the Output Signal of a Fluxgate Magnetic Sensor, APS 2007, diterbitkan di Jurnal IJP. Vol 18. No. 3. Yulkifli, Rahmondia N. S., Zul Azhar, Mitra Djamal, Khairurrijal, 2008: Desain Elemen Sensor Fluxgate Menggunakan Kumparan Sekunder Ganda Untuk Meningkatkan Resolusi Sensor, Prosiding SNF HFI, Bandung Indonesia Yulkifli, Anwar, Z., Djamal, M. 2009a: Desain Alat Hitung Kecepatan Sudut Berbasis Sensor Mangetik Fluxgate. J. Sainstek Vol 1 No 2, pp. 79-90, Indonesia. Yulkifli,, Mitra Djamal, Khairurrijal, Deddy Kurniadi, Pavel Ripka: Demagnetization Factor of a Fluxgate Sensor Using Double Pick-up Coils Configurations. Proc. of The 3rd Asian Physics Symposium (APS) July 22 - 23, 2009, Bandung, Indonesia. Yulkifli, Mitra Djamal, Khairurrijal, Deddy Kurniadi, Pavel Ripka: The Influence of the Tape-core Layer Number of Fluxgate Sensor Using the Double Pick-up Coils to the Demagnetization Factor, Proc. ICICI-BME, November, 23-25, 2009, Bandung.(IEEE Xplore, 18 Februari 20 10). Yulianto,A, S. Bijaksana, W. Loeksmato. 2002. Karakterisasi Magnetik dari Pasir Besi Cilacap ,Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia vol A5 no 0527 Zorlu, 0. (2008): Orthogonal Fluxgate Type Magnetic Micro sensors with Wide Linier Operation Range, Dissertation Thesis, EPFL in Ankara, Turquie. Zorlu, 0 , Kejik, P. dan Popovic, R.S. (2007): An orthogonal fluxgate-type magnetic microsensor with electroplated Permalloy core, Sensorr and Actuactor A, 135, pp 43-49. http: measure fe1d.cvut.c~.2007. B. DRAFT ARTIKEL ILMIAH ATAU ARTIKEL YANG SUDAH TERBIT
1. Yulkifli, Mitra djamal, Asrizal, (2012) Development of Fluxgate Sensors and Its Applications on Civil Engineering, (Submited to Journal of Civil Engineering of science (JCES) 2. Yulkifli, Asrizal dan Melany Febrina, (2012), Pembuatan Sensor Fluxgate dengan Metoe PCBs, (submit), Jurnal Esakta 3. Yulkifli (2011): Sensor dan Perekembangannya untuk Mendukung Era
Otomatisasi dalam Rangka Menuju Internasionalisasi Pengajaran Fisika, Prosiding Seminar HFI 201 1. 4. Yulkifli (2011) Asrizal, Mitra Djamal (2011): Teknik Pembuatan elemen Sensor Fluxgate Menggunakan Teknologi Printed Circuit Boards (PCBs), Jurnal Esakta Vol2. Juli 201 1.
5. Yulkifli, Asrizal, Mitra Djamal (201 l), Pengembangan Sensor Fluxgate Berbasis Teknologi Printed Circuit Boards (PCBs), Disampaikan pada Seminar MIPA UNP, 19-20 November 20 1 1 di FMIPA UNP Padang
LAMPIRAN PUBLIKASI ILMIAH Lampiran 1. Draf publikasi: Journal of Civil Engineering of science
(JCES)
Development of Fluxgate Sensors and Its Applications on Civil Engineering Yulkifli, Mitra Djamal, Asrizal Department of Physics, Universitas Negeri Padang, Padang, Indonesia
[email protected])
Abstract- Thefluxgate element is a low field magnetic sensor. Because the magneticfield strenght of a position is afunction of its distance to the magnetic source, so the magnetic field strenght of a position can be used for determining its distance to the magnetic source. Fluxgate sensors were jirstly developed in the 1930 and were rapidly used for many of applications. These sensors have been used in robotic space probes to analyze, map and monitor the Earth's magnetic field and the other planets. They are also used in geological, aerospace, underwater navigation, land navigation and submarine detection. The furure development offluxgate is reducing their size and making them compatible with micro/nanoelectronic technologv. In this paper, we give a reviews recent development in the manufacturing technology and applications of fluxgate sensors, specially: the fluxgare element is used to measure the position of a vibraring object as a finction of time. The developed sensor has natural frequency about 38 Hz. At the region between 25 Hz - 36 Hz, the vibration sensor has 59.25 m V/g sensitivity, Keyword: Fluxgale sensor,magnetic sensor, Magnetometer, Pick- Up coi, vibrating,frequency
Lampiran 2. Draft untuk Jurnal Nasional JOKI
PEMBUATAN SENSOR FLUXGATE DENGAN METODE PRINTED
CIRCUIT BOARDS (PCB) Yulkifli
', ~ s r i z a lMelany ~, ~ebrina~
'~urusanFisika FMIPA Universitas Negeri Padang Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang
ABSTRAK Pengukuran medan magnet penting dilakukan karena banyak benda-benda bersifat magnet dan bermanfaat dalam kehidupan. Untuk mengukur medan magnetik suatu benda diperlukan sensor. Salah satu jenis dari sensor untuk mendeteksi medan magnetik adalah sensor fluxgate. Sensor fluxgate adalah sensor magnetik yang bekerja berdasarkan perubahan flux magnetik di sekitar elemen sensor. Penelitian ini merancang sensor jluxgate dengan menggunakan metode printed circuit boards (PCB). Tujuan umum penelitian ini adalah untuk membuat sensorj7uxgate dengan memanfaatkan metode Printed Circuit Boards (PCB). Pengukuran terhadap pengaruh jarak magnet dengan tegangan keluaran yang dihasilkan sensor juga dilakukan. Data yang diperoleh melalui pengukuran dianalisis melalui dua cara yaitu secara statistik dan grafik. Berdasarkan data dan analisis yang dilakukan dapat diketahui nilai sensitivitas dari sensorfluxgate FL1, FL2 dan FL3 ini berubah sesuai dengan besar medan magnet yang diberikan pada sensor. Kata kunci
:medan magnetik, sensorfluxgate, PCB
Lampiran: 3, Abstrak Skripsi Mahasiswa yang Terlibat PEMBUATAN SISTEM PENGUKURAN JARAK BENDA DIGITAL BERBASIS SENSOR FLUXGA TE
Rezy prima*)~srizal*')dan ~ulkifli**) * ) ~ a h a s i s wJurusan a Fisika FMIPA Universitas Negeri Padarlg email:
[email protected] ** ) ~ t a~f e n ~ a jJurusan ar Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang,
ABSTRACT
Measurement of the magnetic field is important because many objects have magnet and useful in 1% To measure the magnetic field of an object is required a sensor. One type of sensor to detect the magnetic field is fluxgate sensor. Fluxgate magnetic sensor is a sensor that works by changing the magnetic flux around the sensor element. By utilizing the working principle of the fluxgate sensor can be madethe object distance measuring system base on digital fluxgate sensor. The purpose of this research is to determine: static characteristics of sensorfluxgate 261, performance specifications and design specifications of the digital object distance measuring system basedfluxgate sensor. Measurements of magnetic that influenced of distance from the sensor output voltage has been done. The data obtained through measurements was analyzed in two methods, those are statistics and graphs. Based on data and analysis conducted to know the sensitivity and accuracy of the fluxgate sensor 261. Based on the data and alysisis can be presented three results. First 261 jluxgate sensor static characteristics include traMer function Vo=0.622x 0.0245~2+3977,sensitivity S=0.049x-0622 and accuracy 0999. The second device length is approximately 30 cm with 20 cm wide with acapacity measurement of 7 millimeters to 15 millimeters by using a magnet as the source of the magneticfield, 261 type fluxgate sensors, a micrometer screw and microcontroller ATMEGA 8535. Third design spec$cations of the digital object distance measuring system based fluxgate sensor consists of apercentage error of 12%, precision 0.875 and accuracy 0.831. Keywords: measurements system, magneticfield, fluxgate sensor
DESAIN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR MEDAN MAGNETIK PASIR BESI BERBASIS SENSOR FLUXGA TE
Febri Nanda ~arsito*,~ulkifli**,~atni MUfi t** *MahasiswaJurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang, JI. Prof. Dr. Hamka, **
Padang25 131 Dosen Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang, JI. Prof. Dr. Hamka, Padang25 13 1
ABSTRACT Measurement of magnetic fields is important because many objects are magnetic and rewarding life. One thing that is both magnetic and used in this study were iron sand. To measure the magnetic fields of an object required sensors. One type of sensor to detect the magneticfield isfluxgate sensor. Fluxgate sensor is a magnetic sensor that works based on changes in the magnetic flux around the sensor element. This study designed a magnetic field measuring devices basedfluxgate sensor. The purpose of this study is to explain the function of each part of the gauge and determine the linearity and accuracy of the measuring instrument. Measurements of the magnetic influence of the distance from the sensor output voltage is also done. The data obtained through measurement is analyzed in two ways, namely by statistics and graphs. Based on data and analysis conducted can be known linearip and accuracy of the measuring instrument to the magneticfield to be measured. Keywords
:magneticfield,fluxgate sensor, iron sands
Teknik Pembuatan EIemen Sensor Flugate Menggunakan Teknologi Printed Circiut Board (PCB) ~ulkifli',~srizal',Mitra ~ j a m a l ~ 'KK Fisika Instrztmentasi, FMIPA, Univ. Negeri Padang Jl. Prof Dr. Hamka Kampus UNP Air tawar Padang 2.5131, Telp. (0751).51260 'KK-FTETI, FMIPA, Institut Teknologi Bandzmg E-mail:
[email protected]
Abstrak Teknologi mikro-sensor menghasilkan sensitivitas sensor yang rendah karena luas penampang (cross-sectional) menjadi kecil. Metode pembuatan yang digunakan mempunyai proses yang komplek sehingga biaya pada saat proses pembuatan sangat tinggi sehingga dipasaran harganya sangat mahal. Untuk mengatasi permasalahan ini beberapa peneliti mengembangkan teknologi Printed Circuit Board (PCB). Teknologi PCB memeliki keuntungan antara lain luas penampang Iebih besar sehingga sensitivitasnya sensor Iebih tinggi, proses pembuatan mudah, tentunya biaya pembuatan rendah, akibatnya harganya bisa lebih murah jika dibandingkan teknologi mikro-sensor. Langkah-langkah dalam pembuatan elemen sensor &gate dengan teknik PCB memiliki tiga tahapan, yaitu (1) desain enjinering, (2) desain Jisik PCB, (3) pencetakan ke PCB, dun (4)penyatuan elemen PCB menjadi sensor fluxgate. Langkah 1-3 memerlukan perangkat lunak tertentu antara lain Computer Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD) dun Computer Aided Manufacturing (CAM). Agar mendapatkan hasil yang diharapkan semua proses mempunyai keterkaitan yang sangat erat dun tidak dapat dipisahkan.
PENGEMBANGAN SENSOR FLUXGATE BERBASIS TEKNOLOGI PRINTED CIRCUIT BOARDS (PCBs) '~ulkifli,'~srizal,' ~ i t r Djamal a
' K K Fisika Instrumentasi, FMIPA, Universitas Negeri Padang 2
KK FisikaTeoritik Energi Tinggi dan Instrumentasi, FMIPA, Institut Teknologi Bandung e-mail: y~rlkiflinmir@~vnhoo.corn ABSTRAK
Teknologi Printed Circuit Boards (PCBs) merupakan teknologi yang digunakan dalam pembuatan rangkaian elektronik. Saat ini teknologi PCBs makin memiliki kemudahan dalam proses pembuatannya karena didukung oleh ketersediaan software yang mudah didapatkan baik dipasaran maupun melalui internet, selain itu juga ditunjang oleh kemudahan pengoperasian dalam perancangan jalur-jalur rangkaian elektroniknya. Kemudahan dan kelebihan ini memotivasi kami untuk memanfaatkan teknologi PCBs dalam pembuatan lilitan kumparan elemen sensorfluxgate, dimana selama ini kami membuatnya dengan teknologi manual. Elemen dasar sensor Jluxgate memiliki kumparan eksitasi dan pick-up, kejelian dan ketelitian dalam membuat lilitan pada kumparan sangat menentukan hasil yang diperoleh. Berdasarkan karakterisasi yang telah dilakukan dalam ruang faraday diperoleh daerah kerja pengukuran k6pT dengan sensi tivi tas 48.97mVIpT. Dengan menggunakan pendekatan persamaan polinomial orde 3 didapatkan kesalahan absolut dan relatif maksimum masing-masing sebesar 0.69pT dan 5.90%.
SENSOR DAN PERKEMBANGANNYA UNTUK MENDUKUNG ERA OTOMATISASI DALAM RANGKA MENUJU INTERNASIONALISASI PENGAJARAN FISIKA ~ulkifli' KK-Elektronika dan Instrumentasi Jurusan Fisika UNP/ Pengurus HFI Pusat E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Meningkatnya kebutuhan otomatisasi, keamanan dan kenyamanan, rumah cerdas (smart home), penelitian, dan teknologi pengolahan menggiring orang untuk mengembangkan sensor dan sistem sensor. Berdasarkan data pasar sensor dunia diketahui rata-rata produksi sensor dalam sepuluh tahun terakhir meningkat 4,5% setiap tahunnya. Salah satu sensor yang banyak dikembangkan saat ini adalah sensorsensor yang berbasiskan magnetik. Dalam pengembangan sensor dan sistem sensor perlu dikompromikan antara biaya dan permintaan. Peningkatan kemampuan sensor secara umum dapat dicapai dengan melakukan pemilihan yang tepat terhadap teknologi manufaktur, struktur sensor dan pengolah sinyalnya. Sehingga pembuatan sensor dan sistim sensor lebih sederhana dan biaya murah tentunya dengan kualitas yang dapat bersaing dalam pasar nasional maupun internasional. Fluxgate Sebagai salah satu sensor magnetik memenuhi kriteria di atas dimana prosesnya tidak terlalu komplek. Sinyal keluaran mudah didigitalisasi, linieritas tinggi, ukuran relatif kecil, dan sensitivitas tinggi. Dengan potensi yang dimiliki olehfluxgate, aplikasinya yang luas, proses pembuatan sederhana dan murah, maka sangat terbuka peluang untuk mengembangkannya lebih lanjut baik dari segi pembuatan elemen fluxgate maupun untuk mengaplikasikannya menjadi sensor-sensor yang berbasis padanya. Sensor yang dikembangkan antara lain: sensor jarak, kecepatan sudut, arus listik dc, dan muai panjang. Sensor dengan otomatisasi untuk pengukuran dapat mendukung kegiatan pembelajaran dalam rangka menuju internasionalisasi pengajaran khususnya kegiatan di Laboratorium fisika. Keywords: Sensor, otomatisasi,fluxgnle
LAMPIRAN 4. Foto Pengambilan Data Pengukuran
Gambar L4.1. Foto Pengambilan Data Hubungan Arus pada Kumparan Solenoid dengan Medan Magnet Tabel Data Hubungan Antara Arus dan Medan Magnet
..
/ I,
.
i, id-?. I
Gambar L4.2.Foto Pengarnbilan Data Pengukuran Besir Besi Setiap 15'
Data Pengukuran Suseptibilitas Magnetik Pasir Besi dengan Bartington NO
SAMPEL
xm
RATA-RATA
STANDAR DEVIASI
1
I
1740,6
1764,O
20,4
2020,5
69
2593,5
17,2
2769,7
13,6
400 1,5
25,O
49 10,4
9,o
1761,2 1790,3 2
2
2029,8 2013,l 20 18,7
3
3
2588,5 2575,4 26 16,6
4
4
2775,7 2782,5 2750,9
5
5
4033,7 3997,9 3972,8
6
6
4899,5 4910,l 492 1,6
Gambar L4.3.Foto Sampel Bahan
L
- --
. -.----
1'11 -7
(b) Gambar L4.4.Foto (a) dan (b). Proses pengambilan data
