TRANSDUCER By. Risa Farrid Christianti,S.T.,M.T.
DEFINISI
TRANSDUCER adalah suatu perangkat listrik (elektronik, elektro-mekanik, elektromagnetik, fotonik atau fotovoltaik) yang mengubah satu jenis energi (parameter fisik) menjadi jenis energi lain untuk tujuan tertentu, termasuk di dalamnya pengukuran atau transfer informasi (contoh : sensor tekan). Kebanyakan orang, ketika mereka berpikir tentang transducer, akan berpikir khusus pada perangkat yang menampilkan transformasi tertentu untuk mendapatkan atau mengirim informasi, tetapi sebenarnya, segala sesuatu yang mengubah energi dapat dianggap sebagai sebuah transducer.
DEFINISI (Lanj.)
Istilah transducer umumnya digunakan dalam 2 penginderaan : 1. Sensor : mendeteksi suatu parameter dalam suatu bentuk dan melaporkannya ke dalam bentuk lain (biasanya sinyal analog atau sinyal digital). 2. Aktuator : kebalikan dari sensor, yaitu mengubah sinyal listrik menjadi energi non-listrik lainnya. Contoh : pengeras suara (microphone), mengubah suatu sinyal listrik menjadi medan magnetik variabel dan setelah itu diubah menjadi gelombanggelombang akustik.
KLASIFIKASI TRANSDUCER 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
8.
Elektromagnetik Elektro-kimia Elektro-mekanik Elektro-akustik Fotoelektrik Elektrostatik Thermoelektrik Radioakustik
1. Elektromagnetik 1. Antenna – mengubah gelombang elektromagnetik
2. 3. 4. 5. 6.
menjadi arus listrik dan sebaliknya. Cathode Ray Tube (CRT) – mengubah sinyal-sinyal listrik menjadi bentuk visual. Flourescent Lamp, Light bulb – mengubah daya listrik menjadi cahaya tampak. Magnetic Cartridge, Pick Up (teknologi musik) – mengubah gerak menjadi bentuk listrik. Fotodetektor atau Fotoresistor (LDR) – mengubah terjadinya perubahan tingkat cahaya menjadi perubahan resistansi. Tape Head, Sensor Efek Hall - mengubah perubahan medan magnetik menjadi bentuk listrik.
2. Elektro-kimia 1. pH Probes : mengukur pH sebagai aktivitas dari ion hidrogen di sekitar gelas tipis melingkar pada ujungnya. pH Probe menghasilkan tegangan kecil (sekitar 0.06V per satuan pH) yang diukur dan ditampilkan sebagai satuan pH. 2. Electro-galvanic fuel cell : suatu alat listrik yg digunakan untuk mengukur konsentrasi gas oksigen pada scuba diving dan peralatan medis.
3. Elektro-mekanik (Aktuator) 1. Electroactive polymer (EAP) : polymer (material yg mempunyai berat molekul tinggi) yg bentuknya dimodifikasi ketika ada tegangan yg diterapkan padanya. Berfungsi sbg aktuator atau sensor. 2. Galvanometer 3. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) : piranti mekanik kecil yang dibangun pd suatu chip-chip semikonduktor dan diukur dalam satuan mikrometer. Diaplikasikan untuk tekanan, suhu, kimia, sensor vibrasi, reflektor cahaya & saklar.
3. Elektro-mekanik (Aktuator) 4. Rotary motor, linear motor 5. Vibration Powered Generator (Generator yang digerakkan oleh Vibrasi) 6. Potensiometer yg digunakan untuk mengatur posisi 7. Load Cell : mengubah gaya menjadi sinyal listrik menggunakan strain gauge 8. Accelerometer 9. Strain Gauge 10.String Potentiometer 11.Air Flow Sensor (sensor aliran udara)
4. Elektro-akustik
Geophone - convert a ground movement (displacement) into voltage Gramophone pick-up Hydrophone - converts changes in water pressure into an electrical form Loudspeaker, earphone - converts changes in electrical signals into acoustic form Microphone - converts changes in air pressure into an electrical signal Piezoelectric crystal - converts pressure changes into electrical form (and electrical signals into acoustic/mechanical form) Sonar transponder Tactile transducer
5. Fotoelektrik Laser diode, light-emitting diode - convert electrical power into forms of light Photodiode, photoresistor, phototransistor, photomultiplier tube - converts changing light levels into electrical form
6. Elektrostatik
Elektrometer : an electrical instrument for measuring electric charge or electrical potential difference.
7. Thermoelektrik RTD Resistance Temperature Detector Thermocouple Peltier cooler Thermistor (includes PTC resistor and NTC resistor)
8. Radio-akustik Geiger-Müller tube used for measuring radioactivity. Receiver (radio)
BEBERAPA TRANSDUCER YANG TERSEDIA SECARA KOMERSIAL
PEMILIHAN TRANSDUCER Besaran fisis apa yang akan diukur? Solusi : tentukan jenis dan rangkuman pengukuran. Prinsip transducer mana yang paling baik digunakan untuk mengukur besaran ini? Solusi : ketahui apakah karakteristik masukan & keluaran dari transducer sepadan/sesuai dgn sistem pencatatan atau pengukurannya. Berapa ketelitian yang diinginkan pada pengukuran ini? Solusi : ketelitian ditentukan oleh beberapa faktor.
PEMILIHAN TRANSDUCER Faktor-faktor yang mempengaruhi ketelitian : 1. Parameter dasar transducer : jenis & rangkuman pengukuran, sensitivitas, eksitasi. 2. Kondisi fisik : sambungan2 mekanis & elektris, perlengkapan2 pemasaran, tahanan korosi. 3. Kondisi sekeliling : efek ketidaklinieran, efek histerisis, respons frekuensi, resolusi. 4. Kondisi lingkungan : efek suhu, percepatan, goncangan & getaran. 5. Kesesuaian peralatan yg disertakan : perlengkapan kesetimbangan nol, toleransi sensitivitas, penyesuaian impedansi, tahanan isolasi.
PEMILIHAN TRANSDUCER
Kesalahan pengukuran di dalam sistem yg diaktifkan oleh transducer dapat diperkecil agar berada dalam rangkuman ketelitian yg diinginkan melalui teknik2 berikut : 1. menggunakan sistem kalibrasi pada tempatnya beserta koreksi dalam reduksi data. 2. secara simultan memonitor lingkungan dan mengoreksi data secara tepat. 3. Mengontrol lingkungan secara buatan guna memperkecil kesalahan2 yg mungkin.
TRANSDUCER POSISI
Salah satu aplikasinya adalah menggunakan Strain Gauge, dengan menggunakan prinsip gaya, tekanan & regangan. Strain Gauge adalah sebuah contoh transducer pasif yg mengubah pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan. Berupa alat seperti biskuit tipis (wafer), yg dapat disatukan ke berbagai bahan guna mengukur regangan yg diberikan padanya.
TRANSDUCER POSISI Konstruksi : Strain Gauge dibuat dari kawat tahanan berdiameter kecil, yg merupakan paduan tembaga-nikel, mengandung 60% tembaga dan 40% nikel. Atau dietsa dari lembaran2 kawat tipis. Tahanan dari foil kawat atau logam ini berubah terhadap panjang bila bahan dimana gauge disatukan mengalami tarikan atau tekanan (kompresi). Perubahan tahanan sebanding dgn regangan yg diberikan & diukur dgn sebuah jembatan wheat-stone yg dipakai secara khusus.
TRANSDUCER POSISI
Sensitivitas Strain Gauge Dijelaskan dengan suatu karakteristik yg disebut Faktor Gauge (K), yg didefinisikan sbg perubahan satuan tahanan dibagi dengan perubahan satuan panjang. Dirumuskan : R R K l l dimana : K faktor gauge R tahanan gauge nominal R perubahan tahanan gauge l panjang normal bahan percobaan (kondisi tidak tegang) l perubahan panjang bahan percobaan
TRANSDUCER POSISI
Suku ∆l/l dalam penyebut adalah regangan , sehingga persamaan dapat dituliskan sbg : K
R R
dimana = regangan dalam arah lateral Perubahan tahanan ∆R pada sebuah konduktor yg panjangnya l dapat dihitung dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor yg penampangnya serba sama, yaitu : panjang l R 4d 2 luas
TRANSDUCER POSISI
Dimana : = tahanan spesifik dari bahan konduktor l = panjang konduktor d = diameter konduktor Tarikan (tension) terhadap konduktor menyebabkan pertambahan panjang l & pengurangan secara bersamaan pada diameter d. Maka tahanan konduktor berubah menjadi :
l l l 1 l l Rs 2 2 4d 1 2 d d 4d d
TRANSDUCER POSISI
Dengan menggunakan bilangan Poisson µ yg didefinisikan sebagai perbandingan regangan dalam arah lateral terhadap regangan dalam arah aksial. Dengan demikian : d d l l
Substitusi µ dalam persamaan menghasilkan :
1 l l l Rs 2 4d 1 2 l
l
TRANSDUCER POSISI
Dapat disederhanakan menjadi :
l Rs R R R 1 1 2 l
R jika dibandingkan terhadap l selanjutnya dapat dinyatakan dalam faktor Gauge, dimana : R R K 1 2 l l
TRANSDUCER POSISI
Bil. Poisson bagi kebanyakan logam terletak dalam kisaran 0,25 – 0,35 dan berarti faktor Gouge akan berada dalam orde 1,5 – 1,7. Untuk penggunaan Strain Gauge, sangat diinginkan sensitivitas tinggi. Sebuah faktor gauge yg besar, berarti suatu perubahan tahanan yg relatif besar. Semakin besar faktor gauge, semakin besar sensitivitasnya.
KONFIGURASI STRAIN GAUGE
Strain Gauge satu sumbu : a) kawat; b) foil
panjang gauge dipilih menurut bidang regangan yg akan diselidiki. Pada kebanyakan pengukuran regangan, Gauge merupakan transducer yg dapat diandalkan dan mudah pemasangannya.
KONFIGURASI STRAIN GAUGE
Rosette dua elemen : a) rumpukan foil 900; b) foil datar 900; c) foil geser datar 900
Pengukuran
regangan secara simultan dalam arah lebih dari satu dapat dilakukan dengan menempatkan gauge elemen tunggal pada lokasi yg sesuai. Namun untuk menyederhanakan pekerjaan ini dan untuk menghasilkan ketelitian yg lebih besar, tersedia gauge elemen ganda atau disebut Gauge Rosette.
KONFIGURASI STRAIN GAUGE
Rosette 3 elemen : a) foil datar (planar) 600; b) tumpukan kawat 450 Gauge dirangkaikan dalam sebuah rangkaian jembatan Wheatstone guna memberikan keluaran yg paling besar. Rosette 3 elemen sering digunakan untuk menentukan arah dan besarnya regangan utama yg dihasilkan dari pembebanan struktural yg kompleks. Jenis yg paling terkenal memiliki sudut sebesar 450 atau 600 antara elemen2 pengindera. Rosette 600 digunakan bila arah regangan utama tdk diketahui. Rosette 450 memberikan resolusi sudut yg lebih besar dan biasanya digunakan bila arah regangan utama diketahui.
UNBONDED STRAIN GAUGE
UNBONDED STRAIN GAUGE
Strain Gauge ini terdiri dari sebuah kerangka diam & sebuah jangkar (armature) yg ditopang pd pertengahan kerangka. Jangkar hanya dpt bergerak dalam satu arah. Gerakannya dlm arah tsb dibatasi oleh 4 filamen kawat sensitif regangan, dililitkan antara isolatorisolator kaku yg dipasang pd kerangka & jangkar. Bila sebuah gaya luar diberikan terhadap Strain-gage, jangkar akan bergerak, panjang elemen A & D bertambah, sedangkan panjang elemen B & C berkurang.
TRANSDUCER PERGESERAN (DISPLACEMENT TRANSDUCER)
Konsep pengubahan sebuah gaya terpasang menjadi pergeseran merupakan dasar bagi berbagai jenis transducer. Elemen mekanis yg digunakan untuk mengubah gaya terpasang menjadi pergeseran disebut alat2 penjumlah gaya (force summing devices). Bagian-bagian dari alat ini adalah sebagai berikut : a. Diafragma b. Tiupan (bellows) c. Tabung Boundon, melingkar atau berbelit d. Tabung/pipa lurus e. Kantilever massa, suspensi tunggal atau ganda f. Torsi ujung berputar (pivot torque)
TRANSDUCER PERGESERAN
TRANSDUCER PERGESERAN
Umumnya transducer tekanan menggunakan salah satu dari 4 jenis pertama dari anggota penjumlah gaya, sedang kategori e) dan f) akan ditemukan dalam accelerometer dan pengukur getaran (vibrasi). Pergeseran yg ditimbulkan oleh tindakan alat penjumlah gaya diubah menjadi perubahan suatu parameter elektris. Prinsip-prinsip listrik yg paling sering digunakan adalah: Kapasitif, Induktif, Transformator selisih, Ionisasi, Osilasi, Fotolistrik, Piezoelektris, Potensiometrik, Kecepatan.
TRANSDUCER PERGESERAN
Transducer kapasitif Kapasitansi dari sebuah kapasitor plat paralel diberikan oleh : kA0 G (farad) d dimana : A luas masing - masing plat (m 2 ) d jarak kedua plat (m) 0 9,85 10-12 (F/m) k konstanta dielektrik
TRANSDUCER PERGESERAN
Transducer kapasitif (seijin Statham Instruments) :
TRANSDUCER PERGESERAN Prinsip Kerja : Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua plat paralel, setiap variasi dalam d menyebabkan variasi yg berkaitan pd kapasitansi. Sebuah gaya yg diberikan pd diafragma yg berfungsi sebagai salah satu plat sebuah kapasitor sederhana, mengubah jarak antara diafragma & plat yg diam. Perubahan kapasitansi yg dihasilkan ini dpt diukur oleh sebuah jembatan AC, tetapi biasanya diukur dengan sebuah rangkaian osilator. Transducer sebagai bagian dari rangkaian osilator menyebabkan perubahan frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini menentukan ukuran dari besarnya gaya yg dipasang.
TRANSDUCER PERGESERAN Kelebihan & Kekurangan : Transducer kapasitif memiliki respon frekuensi yg sangat baik & dapat digunakan untuk mengukur fenomena statik & dinamik. Kekurangannya adalah kepekaan terhadap variasi suhu & kemungkinan sinyal-sinyal yg tak teratur atau cacat (distorsi) karena kawat yg panjang. Untuk aplikasi pd instrumentasi pencatatan, sering membutuhkan sebuah osilator kedua dengan frekuensi yg tetap untuk tujuan pencampuran frekuensi (heterodyning). Jadi frekuensi selisih dpt dibaca oleh alat keluaran yg sesuai seperti halnya pencacah elektronik.
TRANSDUCER INDUKTIF
TRANSDUCER INDUKTIF Prinsip kerja : Pengukuran gaya dilakukan dengan mengubah perbandingan induktansi dari sepasang kumparan atau dengan mengubah induktansi kumparan tunggal. Jangkar ferromagnetik yg digerakkan (digeser) oleh gaya yg akan diukur mengubah reluktansi rangkaian magnetik. Perubahan induktansi yg dihasilkan menentukan ukuran dari besarnya gaya yg diberikan.
TRANSDUCER INDUKTIF Kelebihan & Kekurangan : Transducer induktif memberi respon terhadap pengukuran statik & dinamik, serta memberi resolusi yg kontinyu & keluaran yg cukup tinggi. Kekurangannya adalah bahwa respon frekuensi (variasi gaya yg dimasukkan) dibatasi oleh konstruksi anggota penjumlah gaya. Medan magnet luar dapat mengakibatkan pengukuran yg salah.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
The linear variable differential transformer (LVDT) adalah suatu jenis transformator elektrik yg digunakan untuk mengukur perpindahan linier. Trafo ini memiliki 3 kumparan solenid ditempatkan pd masing-masing sisi tabung. Kumparan pusat adalah kumparan primer, dan 2 kumparan luar lainnya adalah kumparan sekunder. Sebuah inti ferromagnetik silindris, mengambil suatu obyek yg posisinya akan diukur, bergeser sepanjang sumbu tabung.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Prinsip kerja : Arus AC digerakkan melalui kumparan primer, menyebabkan tegangan terinduksi di masing-masing kumparan sekunder sesuai dengan induktansi bersamanya terhadap kumparan primer. Biasanya jangkauan frekuensinya antara 1 - 10 KHz. Saat inti bergerak, perubahan induktansi bersama ini, menyebabkan tegangan terinduksi dalam kumparan sekunder. Kumparan-kumparan terkoneksi dalam arah seri terbalik, sehingga tegangan keluarannya berbeda-beda (maka disebut "differential") di antara 2 tegangan sekunder. Ketika inti berada pada posisi tengah, pada jarak yg sama antara 2 kumparan sekunder, sama tetapi tegangannya berlawanan diinduksikan ke dalam 2 kumparan, sehingga tegangan keluarannya adalah nol.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Prinsip kerja : Bila inti dipindahkan di satu arah, tegangan di satu coil meningkat, bersamaan dengan penurunan tegangan di sisi yg lain, menyebabkan tegangan keluaran meningkat dari nol ke nilai maksimum. Tegangan ini sefasa dengan tegangan masukannya. Bila inti berpindah ke arah lain, tegangan keluaran juga meningkat dari nol ke nilai maksimum, tetapi fasanya berlawanan dengan fasa primernya. Besaran tegangan keluaran adalah sebanding dengan perpindahan jarak oleh inti (sampai ke batas nya maksimum), itulah sebabnya mengapa alat ini disebut" linier". Fasa tegangan menandai arah pergeseran.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Keunggulan : Karena pergeseran inti tidak menyentuh bagian dalam tabung, inti dapat bergerak tanpa friksi, membuat LVDT adalah suatu alat sangat dapat diandalkan sebagai transducer. LVDT secara menyeluruh terisolasi/tersegel terhadap lingkungan. LVDT biasanya digunakan untuk umpan balik posisi di dalam servomekanik, dan untuk pengukuran yang diotomatisasi di dalam alat-alat bermesin dan dalam banyak industri lainnya, serta aplikasiaplikasi ilmiah.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
Pengukuran pergeseran dengan menggunakan dua transformator selisih di dalam sebuah sistem servo gaya imbang (force balancing servo)
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
Prinsip Kerja Sistem Servo Gaya Imbang : 1. Terminal keluaran dari sebuah transformator masukan & transformator imbang dihubungkan seri secara berlawanan. 2. Penjumlahan aljabar dari kedua tegangan diumpankan ke sebuah penguat yg mengemudikan sebuah motor 2 fasa. 3. Bila kedua trafo berada pd posisi referensinya, penjumlahan tegangan2nya nol & tidak ada tegangan yg diserahkan ke servomotor.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
Prinsip Kerja Sistem Servo Gaya Imbang : 4. Bila inti trafo masukan dijauhkan dari posisi referensinya oleh sebuah masukan pergeseran yg diberikan dari luar, timbul tegangan keluaran ke penguat, sehingga motor berputar. 5. Poros motor digandeng secara mekanis ke inti trafo imbang. 6. Karena keluaran trafo imbang ini melawan keluaran trafo masukan, motor terus berputar sampai keluaran kedua trafo tsb sama. 7. Indikator pd poros motor dikalibrasi agar menunjukkan pergeseran trafo imbang & secara tdk langsung menunjukkan pergeseran dari trafo masukan.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
Transformator selisih dengan inti berbentuk E dan jangkar bertitik putar.
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
Kumparan primer dililitkan pada kaki tengah dari inti berbentuk E & kumparan sekunder dililitkan pada kaki luar dari inti berbentuk E tersebut. Jangkar diputar terhadap sebuah titik putar (pivot) di bagian atas kaki tengah inti oleh gaya yg diberikan dari luar. Bila jangkar digeser dari kedudukan setimbang/posisi referensinya, reluktansi rangkaian magnetik melalui satu kumparan sekunder berkurang, sedang secara bersamaan reluktansi rangkaian magnetik melalui kumparan sekunder yg lain bertambah.
Keunggulan : 1. LVDT menghasilkan resolusi kontinyu & memperlihatkan histeresis yg rendah. 2. Sangat cocok jika digunakan sebagai instrumen pencatat.
TRANSDUCER OSILASI
Elemen-elemen dasar dari sebuah transducer osilasi
1. Prinsip kerjanya menggunakan anggota penjumlah gaya untuk mengubah kapasitansi atau induktansi dalam sebuah rangkaian osilator LC. 2. Frekuensinya dipengaruhi oleh suatu perubahan dalam induktansi kumparan. 3. Kestabilan osilator harus diutamakan guna mendeteksi perubahan frekuensi osilator yg disebabkan oleh gaya yg bekerja dari luar.
TRANSDUCER OSILASI Keunggulan & Kelemahan : Transducer ini mengukur kedua fenomena statik & dinamik, serta menyenangkan untuk digunakan dalam pemakaian telemetri. Keterbatasan rangkuman frekuensi, kestabilan termal yg buruk & ketelitian yg rendah, membatasi penggunaannya pada pemakaian ketelitian rendah.
TRANSDUCER FOTOLISTRIK
Transducer ini memanfaatkan sifat2 sel emisi cahaya atau tabung cahaya (phototube). Tabung cahaya = alat pemancar energi yg mengatur pancaran atau emisi elektronnya bila dihadapkan ke cahaya yg datang. Elemen setengah lingkaran yg besar = katoda yg sensitif cahaya Kawat tipis yg menuju pusat tabung = anoda Kedua elemen ini ditempatkan di dalam sebuah pembungkus (envelope) gelas yg telah dihampakan.
TRANSDUCER FOTOLISTRIK
TRANSDUCER FOTOLISTRIK
Bila antara anoda & katoda diberikan suatu tegangan konstan, arus di dalam rangkaian berbanding langsung dengan banyaknya cahaya atau intensitas cahaya yang jatuh pada katoda. Perhatikan untuk tegangan di atas sekitar 20V arus keluaran hampir tidak bergantung pada tegangan anoda yg masuk, tetapi bergantung pada banyaknya cahaya yg masuk. Arus yg masuk kecil sekali, biasanya dalam rangkuman beberapa mikroampere. Dengan demikian tabung cahaya biasanya dihubungkan ke sebuah penguat guna menghasilkan suatu keluaran yg bermanfaat.
TRANSDUCER FOTOLISTRIK
Elemen-elemen dari sebuah transducer fotolistrik
TRANSDUCER FOTOLISTRIK
Transducer ini menggunakan sebuah tabung cahaya & sebuah sumber cahaya yg dipisahkan oleh sebuah jendela kecil yg celahnya dikontrol oleh anggota penjumlah gaya dari transducer tekanan. Pergeseran anggota penjumlah gaya memodulasi besaran cahaya yg masuk ke elemen sensitif cahaya. Perubahan intensitas cahaya mengubah sifat-sifat emisi cahaya pada laju yg mendekati linier terhadap pergeseran.
TRANSDUCER FOTOLISTRIK Keunggulan & kelemahan : Keuntungan transducer jenis fotolistrik adalah efisiensinya yg tinggi, serta kesesuaiannya untuk mengukur kondisi statik & dinamik. Alat ini memiliki stabilitas jangka panjang yg jelek, tidak memberi respon terhadap variasi cahaya berfrekuensi tinggi & memerlukan pergeseran yg besar bagi anggota penjumlah gaya.
REFERENSI
http://www.wisegeek.com/what-are-transducers.htm http://www.answers.com/transducer.htm J. Allocca and A. Stuart, Transducers: Theory and Application, Reston 1984. William David Cooper, Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Erlangga 1994. http://en.wikipedia.org/wiki/LVDT
