Desain dan Pengembangan Sensor Magnetik Fluxgate Sensitivitas Tinggi Menggunakan Model Ellips-Multicore Double Pick-up dan Aplikasinya.

I

Bidang Ilmu Teknologi

LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING

(TAHUN KE I)

Desain dan Pengembangan Sensor Magnetik

Fluxgate

Sensitivitas Tinggi Menggunakan Model

Ellips-Multicore

Double Pick-up

dan Aplikasinya.

Peneliti

:

Drs.

Hufri

M.Si

(Ketua)

Yulkifli,S.Pd., M.Si (Anggota)

Prof. Dr. Mitra Djamal (Anggota)

Dibiayai oleh Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat,

Ditjen Dikti Depdiknas FU

Melalui Proyek Peninggkatan Perguruan

Tinggi Universitas Negeri Padang dengan Surat Perjanjian Kerja

Nomor

:

1 72 1

/H35/KU/DIPA/2009

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN

ALAM

UNIVERSITAS NEGERI PADANG

HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHlR

1. Judul : Desain dan Pegembangan Sensor Magnetik

Fluxgate Sensitivitas Tinggi Menggunakan Model Ellips-Multicore Double Pick-up dan Aplikasinya. 2 Ketua Peneliti

a. Nama Lengkap : Drs. Hufri M.Si

b. Jenis Kelamin : Laki-laki

c. NIP : 1966041 3 199303 1 003

d. Jabatan Fungsional : Lektor

'I

e. Jabatan Struktural : -

f. Bidang Kealilian : Fisika Instrumentasi dan Elektronika g. Fakultas / Jurusan : FMIPA 1 Fisika

i

h. Perguruan Tinggi : Universitas Negeri Padang

i . Tim Peneliti

3. Pendanaan dan Jangka waktu penelitian :

I

a. Jangka waktu Penelitian yang diusulkan : 2 tahun

No 1

2

I

b. Jumlah biaya yang diajukan ke Dikti : RP. 99.922.000,-

Fakultasl Jurusan MIPA/ Fisika MIPA/ Fisika

I

c. Biaya yang disetujui tahun ke I : RP. 44.500.000

Perguruan Tinggi

Universitas Negeri Padang ITB Bandung

Nama dan Gelar Akademik

Yulkifli, S.Pd., M.Si

Dr.-Ing. Mitra Djamal

1

Padang, 7 Desember 2009 Bidang Keahlian Fisika Instrumentasi & Elektronika Fisika Instrumentasi & Elektronika

Universitas Negeri Padang

u-

Drs. Hufri, M.Si 0423 197603 1003 NIP. 196604 13 199303 Negeri Padang i Ketua Peneliti,

I

A.

LAPORAN HASIL PENELITIAN

RINGKASAN DAN SUMMARY

1

_{Desain dan Pegembangan Sensor Magnetik Fluxgate Sensitivitas Tinggi Menggunakan}

Model Ellips-Muliicore Double Pick-up dan Aplikasinya.

~ u f r i " ' , ~ulifli"', Mitra ~ j a m a l ~ )

"'

_{Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang}

''

_{Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Bandung}

Telah berhasil dikembangkan sensor magnetik fluxgate sensitivitas tinggi menggunakan teknik harrnonisa kedua menggunakan model ellip multi-core dengan pick-up ganda. Penelitian ini yang direncanakan selama dua tahun secara bertahap, yang meliputi: tahap pertama: mendesain elemen sensor model ellip multi-core double pick-up dengan jumlah lilitan pick-up dan inti bervariasi, pembuatan rangkaian pengolah sinyal dan interfacing untuk peningkatan sensitivitas dan resolusi sensor. Pada tahun

I

telah diperoleh rangkaian pengolah sinyal (RPS) bekerja pada eksitasi optimum 4 kHz dengan daya rata-rata 10 mW pada tegangan eksitasi 5 Volt. Pengujian pengaruh jumlah lilitan dan jumlah inti ferromagnetik telah dilakukan dengan hasil dimana jumlah lilitan sebanding dengan sensitivitis tetapi berbanding terbalik dengan daerah kerja sensor, sedangkan pengaruh jumlah inti sebaliknya. Karakterisasi keluaran sensor di peroleh sensitivtias -101 mV/pT dan resolusi -25 nT dengan rentang daerah linier *I0 pT. Hasil ini di optimasi menggunakan Low Pas Filter (LPF) orde-6 sehingga resolusi dapat diperbaiki menjadi 7.6 nT pada rentang kerja *20 pT. Berdasarkan hasil ini terbuka peluang untuk diaplikasikan dalam berbagai pengukuran antara lain pengukuran jarak orde kecil (pm) dan pengukuran getaran pada mesin industri manufaktur. Tahap kedua: pembuatan prototip sensor getaran, pengujian karakteristik sensor terhadap sumber pengetar atau objek, dan aplikasi pada

1

getaran mesin insdustri manufaktur sebuah objek. Dalam penelitian ini akan dilakukan

kerjasama dengan KK FTETI ITB dan KIM LIP1 Batan Serpong. Diharapkan dapat

i

dihasilkan prototip sensor fluxgate dengan presisi dan akurasi tinggi yang kompatibel untuk menjadi sensor getaran. Dengan demikian, penelitian pegembangan desain elemen sensorj7uxgate multicore, kumparan pick-up ganda, resolusi tinggi dan aplikasinya untuk

1

sensor getaran memiliki unsur kebaharuan dan akan berdampak pada perkembangan

penelitian dan pengembangan industri yang berbasis kepadanya baik Indonesia maupun di dunia. Disarnping memiliki arti ekonomis yang sangat besar, hasil penelitian ini juga

I

memiliki arti kebanggaan nasional karena riset ini sangat memberi peluang kepada Indonesia untuk ikut berbicara dalam tingkat dunia.

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 surnber lain yang relevan atau bekerja sama dengan instansi terkait.

Sehubungan dengan itu, Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang bekerjasama dengan Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Ditjen Dikti Depdiknas

RI

melalui Proyek Peningkatan Perguruan Tinggi Universitas Negeri Padang dengan surat perjanjian kerja Nomor: 172 l/H35/KU/DIPA/2009 Tanggal 1 1 Mei 2009 telah membiayai pelaksanaan penelitian dengan judul Desain dan Pengembangan Sensor Magnetik Fluxgate

Sensitifitas Tinggi Menggunakan Model Ellips-Multicore Double Pick-up dan Aplikasinya

Kami menyambut gembira usaha yang dilakukan peneliti untuk menjawab berbagai perrnasalahan 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 dalarn peningkatan mutu pendidikan pada urnumnya. Di samping itu, hasil penelitian ini juga diharapkan memberikan masukan bagi instansi terkait dalarn 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 umurnnya, 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 Depdiknas yang telah memberikan dana untuk pelaksanaan penelitian tahun 2009. 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. Padang, Desember 2009 F A e t u a Lembaga Penelitian

..-

.- '

-

/ .

z

.

UniversitasNegeri Padang,

.'&&mbd

Faozan, M.Pd.,

M.Se.

'

!- NIP. 19660430 199001 1 001

y\

- .

DAFTAR IS1

Halaman

HALAMAN PENGESAHAN

...

A

.

LAPORAN HASIL PENELITIAN

RINGKASAN DAN SUMMARY

...

PRAKATA

...

DAFTAR IS1

...

DAFTAR TABEL

...

DAFTAR GAMBAR

...

DAFTAR LAMPIRAN

...

BAB

I

.

PENDAHULUAN ... A

.

Latar Belakang

...

BAB I1

.

STUD1 PUSTAKA

...

A

.

Prinsip Dasar Sistem Sensor Fluxgate

...

B

.

Faktor demagnetisasi terhadap tegangan keluaran sensor

.

C

.

Fluxgate Magnetometer Sebagai Sensor Getaran

...

D

.

Desain Geometri Struktur Multicore

...

BAB

.

I11

.

TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

...

A

.

Tujuan Penelitian

...

B

.

Manfaat Penelitian

...

BAB

.

IV

.

METODE PENELITIAN

...

A; Desain Rangkaian Pengolah Sinyal ( W S ) Analog Sensor

...

B

.

Desain Elemen Sensor Fluxgate dengan Variasi Jumlah Lilitan

Pick-Up

C

.

Desain Elemen dengan Variasi Jumlah Inti Ferromagnetik

...

BAB V

.

HASIL DAN PEMBAHASAN

...

A

.

Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS)

...

B

.

Konfigurasi jumlah Lilitan Pick-Up Ganda

...

. . 11 ... 111 iv vi vii

D

.

Pengukuran Respon Sensor Terhadap Medan Magnet Lemah

..

3 2

BAB

.

V

.

KESIMPULAN DAN SARAN ... 37

DAFTAR PUSTAKA

...

40

B

.

DRAF ARTIKEL ILMIAH

...

42

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel. 1. Kualitas sensorJluxgate berdasarkan elemen sensor, bahan inti 1 1

(core) dan konfigurasi kumparan eksitasi dan pick-up

DAFTAR GAlMBAR Halaman Gambar. 1. Gambar. 2. Gambar. 3. Gambar. 4 . Gambar. 5 . Gambar. 6. Gambar. 7. Gambar. 8. Gambar. 9. Gambar. 10. Gambar. 11. Gambar. 12. Gambar. 13. Gambar. 14. Gambar. 15. Gambar. 16. Gambar. 17. Gambar. 18. Gambar. 19. Gambar. 20. Gambar. 2 1. Gambar. 22. Gambar. 23. Gambar. 24. Gambar. 25. Gambar. 26. Gambar. 27.

Prinsip pengukuran medan magnet.

Bentuk sederhana sensor magnetik fluxgate Bentuk sinyal keluaran sensor fluxgate Skema Diagram Pengolahan Sinyal Sensor

Model Makanik Sensor Getaran (A) dan Diagram bebas dari massa (B)

Prinsip Kerja Sensor Fluxgate Sebagai Sensor Getaran Desain elemen sensor model ellip-multicore double pick-up Desain elemen sensor oleh Li. X.P

Set-up karakterisasi keluaran sensor

Rangkaian Generator Sinyal sinusiodal eksitasi Rangkaian MOSFET Sebagai Inverter

Rangkaian Osilator Kristal dan IC CD 4060

Penguat awal sensor yang juga berfungsi sebagai pendiferensial Op-amp yang berfungsi sebagai buffer sinyal

Rangkaian detektor fasa, ketika keluaran sensor positif Penguat akhir sensor.

Rangkaian tapis 1010s rendah Sallen-Key Desain Elemen Sensor Fluxgate pick-up ganda Desain Elemen Sensor fluxgate dengan variasi inti Hasil Skematik

RPS

analog

Frekuensi osolator berbentuk gelombang persegi dengan f = 4 kHz

Frekuensi referensi osolator berbentuk gelombang segitiga f = 4 kHz

Respon keluaran penguatan awal

Sinyal yang diamati pada osiloskop ketika melewati op amp LF4 12 yang berfungsi sebagai buffer

Respon sinyal melewati op-amp LF412 berfungsi sebagai buffer Penguat akhir

Sinyal keluaran pada rangkaian tapis 1010s rendah

Gambar. 28. Gambar. 29. Gambar. 30. Gambar. 3 1. Gambar. 32. Gambar. 33. Gambar. 34. Gambar. 35. Gambar. 36. Gambar. 37. Garnbar. 3 8. Gambar. 39. Gambar. 40. Gambar. 4 1.

Photo elemen sensor fluxgate dengan konfigurasi lilitan pick-up Hasil pengukuran untuk konfigurasi lilitan pick-up (daerah saturasi)

Hasil pengukuran untuk konfigurasi lilitan pick-up (daerah linier) Induktansi diri untuk konfigurasi jumlah inti sensor

Faktor demagnetisasi untuk konfigurasi jumlah inti sensor Pengaruh jumlah inti ferromagnetik terhadap tegangan keluaran sensor

Respon tegangan keluaran sensor untuk daerah *200

pT

Daerah linier pengukuran sensor untuk daerah

*

10 pT Kesalahan absolut keluaran sensor

Kesalahan relatif keluaran sensor Respon LPF untuk orde ke-n

Rangkaian seri Stallen Key orde enam (6th orde) Daerah linier pengukuran sensor untuk daerah *20 pT Kesalahan absolut keluaran sensor

. .

.

BAB

I.

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pembuatan sensor magnetik saat ini menggunakan beberapa metode seperti: metode Efek Hall, ikhgnetoresistif (AMR, GMR),

SQUID

dan Fluxgate (Fraden, J., 1 996: Caruso, M.J., et al., 2007 ). Kelemahan metode efek Hall adalah sensitivitasnya rendah, offset tegangan tinggi dan pengaruh temperatur besar. Kelemahan magnetoresistifadalah adalah adanya pengaruh efek histeresis, berubahnya sensitivitas sensor terhadap kenaikan medan magnet

H

(Djamal, M., et al., 2005. Metode SQUID memerlukan helium cair dalam pengoperasiannya dan membtuhkan biaya yang mahal sehingga digunakan untuk keperluan khusus saja. Sedangkan pada metodaflmgate, pengukuran kuat medan magnet didasarkan pada hubungan antara kuat medan magnet H yang diberikan dengan fluks medan magnet induksi

B.

Tegangan keluarannya sebanding dengan medan magnet luar yang mempengaruhi inti (core) dan arahnya sebanding dengan arah medan magnet luar tersebut (Djarnal. M, 2006, Bashirotto, A., et al., 2006).

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 (Ripka, P., et al., 2001a: Park, H.S., et al., 2004: Wang,

Y.,

et al., 2006; Zorlu, O., et al., 2007),

perkembangan desain strukturlgeometri, rentangan pengukuran medan magnet dan

sensitivtas sensor sarikan pada Lampiran I. Metode pembuatan yang digunakan

mempunyai proses yang komplek sehingga harga pembuatan menjadi mahal, sensitivitas sensor rendah karena luas penampang (cross-sectional) menjadi kecil

(L.

Shibin, et al., 2006), selain itu sensor dengan resoluti 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 te rjangkau (Yulkifli, dkk.,2007a).

Sehubungan dengan latar belakang di atas peneliti ingin mengembangkan sensor magnetik sensitivitas tinggi dengan mendesain elemen sensor magnetik Jlwcgate model ellips-multicore double pick-up menggunakan teknik harmonisa kedua untuk mengukur getaran suatu objeklmesin tentunya dengan biaya yang tidak terlalu mahal. Diharapkan dari desain dm pengembangan model sensor ini dapat meningkatkan resolusi pengukuran sensor menjadi 0,01 pT atau sensitivtas 100.000 mVlnT.

BAB 11. STUD1 PUSTAKA

I

I A. Prinsip Dasar Sistem Sensor Fluxgate

Prinsip hngsional yang mendasar dari sistem sensor fluxgate adalah perbandingan medan magnet yang diukur

B,,

dengan medan magnet refrensi

B,,/

Pengubahan kuat medan magnet yang akan diukur

B,,

ke dalam sinyal listrik dapat dilakukan dengan cara

I

langsung, cara ini memang sederhana, tetapi memberikan hasil yang kurang teliti terutama untuk mengukur medan magnet lemah. Sensor magnetikfluxgate tidak menggunakan cara langsung, tetapi menggunakan medan magnet referensi

Bref

untuk dibandingkan dengan

I

medan magnet yang akan diukur

Be,,

menggunakan wadah (probe) yang diisi dengan bahan inti (core). Prinsip ini terlihat pada gambar 1. Medan magnet referensi. bisa berbentuk

I

I sinyal bolak-balik sinusoida, persegi, atau segitiga, dieksitasikan pada inti melalui

I

1 _{lamparan primer. Medan magnet referensi}

_Bref

_{disuperposisikan dengan medan magnet}

I

I

yang akan diukur

B e ,

pada bahan inti ditangkap oleh kumparan sekunder (pick-up coil)

untuk dievaluasi. Sensitivitas sensorfluxgate sangat bergantung pada perrneabilitas bahan inti (Li,

X.P.,

et al,. 2006a).

magnetometer output

(a)

magnetometer output

Gambar. 1 Prinsip pengukuran. medan magnet: a) dengan cara langsung; b) menggunakan medan magnet referensi

Bre/

sebagai pembanding terhadap medan magnet yang diukur

Be,.

(Gijpel, W, et al., 1989).

Sensor magnetik fluxgate dibuat berdasarkan karakteristik inti feromagnetik yang linier. Dalam bentuk yang sederhana, sensor magnetik fluxgate terdiri dari inti ferromagnetic dan dua kumparan, yaitu kumparan primer (excitation coil) dan kumparan sekunder (pick-up coil), seperti ditunjukkan Gambar 2.

g

Kurnparan

eksitasi

.

Gambar. 2 Bentuk sederhana sensor magnetik fluxgate (B. Ando, 2006).

Prinsip kngsional sensor fluxgate dalarn mendekteksi perubahan magnetik eksternal terlihat dalam gambar 3.

Gambar 3. Bentuk sinyal keluaran sensor fluxgate( S. Liu, 2006).

Inti sensor yang terbuat dari bahan ferromagnetik memiliki sifat material yang dapat tersaturasi (3a), Inti sensor dibawa ke dalam daerah saturasi secara periodik oleh medan eksitasi sinusiodal, medan ini merupakan medan refrensi

(Bref),

yang dihasilkan oleh arus sinusiodal yang mengalir ke dalam kumparan eksitasi, ketika medan magnetik luar sama dengan nol, maka medan magnetik yang timbul oleh kumparan eksitasi akan simetris (3b), saat kondisi ini tidak ada laju perubahan fluk magetik yang tertangkap oleh kumparan pick-up sehingga selisih tegangannya menjadi nol. Sedangkan ketika ada medan magnetik luar yang sejajar terhadap inti, induksi di dalam inti menyebabkan fungsi terangkat dari proyeksi pada kurva magnetisasi, akibatnya sinyal tidak lagi simetris setelah diproyeksikan terhadap sumbu B (3c), saat kondisi ini kumparan pick-up menangkap laju

perubahan fluk magnetik (3d), sehingga menyebabkan ada selisih tegangan pada kedua kumparan pick-up (3e).

Selisih tegangan keluaran ini dianalisa dengan menggunakan prinsip harmonisa kedua melalui pendekatan polinomial dan fungsi transfer.

Fungsi transfer

Asumsikan inti adalah tipe linier, maka inti akan disaturasi oleh medan magnetisasi awal sinusoidal:

yang akan disuperposisikan dengan medan magnet luar

H,,,.

Medan magnet dalam inti akan menjadi

dimana N adalah faktor magnetisasi untuk inti linier:

Untuk menghitung rapat fluks dalam inti, menormalisasikan kuat medan magnet dalam inti menjadi H;

,

yang diberikan

Sehingga kuat medan medan magnet dalam ini menjadi

Hint

hint = ---;- = hext

+

hRf

,,,

sin ut

H

0

Kurva magnetisasi akan diaproksimasi dengan pendekatan polinomial ternorrnalisasi orde 3:

dimana b adalah rapat fluks ternormalisasi:

dengan

Pendekatan ini digunakan baik untuk pencabangan positif maupun negatif dari kurva magnetisasi.

Rapat fluks ternormalisasi menjadi

b = al heXt

+

al hWf

,

,

sin w t - a3 (hex,

+

hEf sin ~ 1 ) ~ atau

3 3

b = aqhext - a,hext - ~ 8 3 h e x t . max

3 3

alhref ,ax - 3a3 h:xt href mar - -a3 href mar )Sin W t -

4

3 1

cos 2 w t

+

T a 3 h h sin 3 w t

-

2

a 3 hexi

'

ref max

Dapat dilihat bahwa komponen harmoniksa kedua sesuai dengan kuat medan magnet luar. Tegangan keluaran kumparan sekunder sesuai dengan diferensiasi rapat fluks dalam inti terhadap waktu, yaitu:

dimana

N

: jumlah lilitan kumparan sekunder dan A adalah penampang hamburan dari inti. Tegangan keluaran kumparan sekunder dapat digantikan dengan tegangan keluaran ternormalisasi:

dan menjadi

3

+

3 ~ , o a , h , , h ~ . , ~ ~ ,

sin 2wt

t -

~ , o a , h ~ ;

,,,,ax

cos 3 o t

4

Komponen tegangan keluaran harmonisa kedua dari kumparan sekunder adalah

= ma sin 2wt

atau

u,,~

= h,xt~h:ef

,,,

sin 2wt (16)

sebagai aproksimasi linier dimana

K

adalah sebuah konstanta yang meliputi faktor magnetisasi, nilai puncak arus magnetisasi awal, bentuk inti, koefisien polinomial a j , dan

rapat fluks saturasi ini. Komponen tegangan keluaran harmonisa kedua dari kumparan sekunder sesuai dengan medan magnet luar yang diukur dan frekuensi arus magnetisasi awal.

Tegangan keluaran VOut dari elemen sensor diolah dengan menggunakan rangkaian

pengolah sinyal. Pengolah sinyal sensor terdiri dari beberapa bagian, yaitu diffi-ensiator, detektor, sinkronisasi fasa, integrator, dan penguat akhir. Secara skematik terlihat pada gambar 4:

osi lator

'7

Buffer

I

Generator Sensor Pengolah sinyal Penyearah

A

.

Dua kali frekuensi

(2fo)

B.

Faktor demagnetisasi terhadap tegangan keluaran sensor

Faktor demagnetisasi

(D)

memainkan peranan penting dalam menentukan tegangan keluaran dan noise sensor fluxgate (F. Primdahl, et al., 2002; J . Kubik, et al. 2008).

Hubungan tegangan keluaran sensor dengan faktor demagnetisasi ditunjukan oleh persarnaan (1 7).

Dari persamaan ( 1 7 ) terlihat jelas hubungan antara tegangan keluaran sensor

dengan faktor demagnetisasi bahan. Tegangan keluaran sensor akan meningkat jika faktor demagnetisasi mengecil dan sebalikya. Tegangan maksimun akan diperoleh saat D=07

tegangan akan no1 jika D=1. Nilai faktor demagnetisasi dapat ditentukan melalui persarnaan:

sedangkan nilai apparent permaebilit (p,) diperoleh setelah mengukur dimensi dan indukstansi diri sensor:

LC",,, - LCOI, AC"d

,

I

P o = [ LO,/,

j

A,",

C. F L q a t e Magnetometer Sebagai Sensor Getaran.

Getaran adalah gejala mekanika dinamik yang mencakup periode gerak osilator di sekitar posisi referensi atau berupa gerakan bolak-balik yang digambarkan sebagai amplitudo atau simpangan terjauh dari titik setimbang. Untuk mendekteksi getaran dikembangkan berbagai alat berupa sensor getaran (vibration sensor). Terdapat banyak

metode yang dapat dipakai untuk mendeteksi getaran, misalnya dengan mengukur kapasitansi, perubahan muatan listrik dari material piezoelectric atau perubahan posisi

dalam Linear Variable Displacement Transformer (LVDT) (Corres, et. a1.,2006).

Salah satu cara kerja sensor getaran berdasarkan perubahan posisi dari suatu objek, objek yang bergerak dapat dideteksi dengan perubahan medan magnet yang terjadi padanya. Perubahan medan magnet pada sensor magnet akibat berubahnya posisi dapat dimanfaatkan untuk mendeteksi suatu benda yang sedang bergetar. Fluxgate sebagai

sensor mempunyai konsep perubahan medan magnet suatu objek. Berdasarkan kesamaan konsep ini, maka Fluxgate dapat dijadikan sebagai sensor getaran. (Hendro, 2007).

Sensor fluxgate bekerja dengan cara membangkitkan medan magnet untuk dirinya sendiri sebagai medan magnet acuan, jika terdapat bahan magnet yang bergetar pada posisi x maka sensor akan mendeteksi perubahan posisi (x) dari getaran tersebut melalui perubahan acuan medan magnetik pada intinya (Suyatno, 2007b). Perubahan posisi (x) dari benda yang bergetar terhadap sensor disebut dengan simpangan, simpangan maksimum disebut dengan amplitudo (A).

Untuk meninjau konsep mekanik sebuah benda bergetar dimodelkan seperti gambar 5.

Gambar 5: Model Makanik Sensor Getaran (A) dan Diagram bebas dari massa

(B),

(Fraden, J., 1996).

Sebuah benda dengan beban bermassa M terikat pada sebuah pegas dengan konstanta pegas k dan massa yang bergerak diredam oleh peredam dengan koefisien redaman b seperti gambar (A). Beban bisa bergeser sejauh x dari titik setimbang terhadap sensor dengan arah horizontal. Selama bergerak percepatan beban M bergetar sebesar

d 2 x

-,

dan sinyal kel-uaran sebanding dengan defleksi xo dari beban M. Berdasarkan dt

*

tinjauan diagram bebas masaa M seperti gambar

(B)

dan menerapkan Hukum kedua Newton (Symon,

K.R.,

1980), memberikan :

dengan f adalah percepatan dari massa relatif dari bumi dan diberikan oleh :

d 2 x d 2 y f =---

dt2 dt2

Persamaan di atas merupakan persamaan diffrensial orde dua yang mana artinya keluaran percepatan sinyal merupakan bentuk osilasi. Untuk menyelesaikan persamaan

(22) di atas digunakan Transformasi Laplace (Boas, L.M, 1984). Berdasarkan

Transformasi Laplace didapatkan :

dimana X ( s ) dan A ( s ) adalah Transformasi Laplace dari x ( t ) dan - . ~ o l u s i

dt

'

persamaan ( 1 8 ) untuk X ( s ) adalah :

dengan mendefinisikan variabel a,, = dan 25m, =

%

, persamaan (24) dapat

ditulis

Nilai m , mempresentasikan frekuensi anguler alami percepatan dan koefisien

- 1

normalisasi redaman. Misalkan G ( s ) = 2 ' maka persamaan ( 2 5 ) dapat

s 2

+

25m,,s

+

?no

dituliskan menjadi : X ( s ) = G ( s ) A ( s ) , solusi dapat diungkapkan dalam bentuk operator inverse transformasi Laplace sebagai :

X

( s ) =

L-'

{ G ( s ) A ( s ) )

Dengan menggunakan teorema konvolusi transformasi Laplace dapat ditulis:

dimana a adalah impulse bergantung pada percepatan dan g(t) adalah inverse transform

L-I

{ G ( s ) } . Jika diambil w =

a,,

d

z

,

maka persamaan di atas mempunyai dua solusi,

yaitu :

Solusi

I,

untuk underdamped mode

( 5

< 1 ) :

'

1 -@o,,(/-r,

~ ( t ) = -J-e sin w(t

-

r ) a ( t ) d r

0

dengan o =

o ,

,/fi

Persamaan (29) menunjukkan bahwa perubahan jarak atau simpangan benda berosilasi bergantung pada waktu t.

Perubahan posisi atau jarak antara beban M (target) dengan sensor akan menyebabkan perubahan intensitas medan magnet yang diterima oleh sensor. Prinsip kerja pengukuran getaran berdasarkan perubahan posisi ini telihat pada gambar 6.

-

Objek bergetar

-

SensorfIuxgate

.

Amplifier ----I, FFT A,

f

Tegangan ke luaran sebagai fungsi jarak

~&nb&. Prinsip Kerja Sensor Fluxgate Sebagai Sensor Getaran

Objek yang bergetar (target) dipilih yang bersifat magnetik. Material magnetik dapat berasal dari magnet permanen atau material ferromagnetik. Material magnetik ditempatkan pada objek yang akan diukur getaranya. Jika objek bergerak mendekati atau menjauhi detektor, maka medan magnetik disekitar titik setimbang akan mengalami perubahan, perubahan ini disebut fluk magnetik

(0).

Perubahan fluk magnetik bergantung pada posisi sensor terhadap objek.

Jika d;i adalah elemen vektor dan

B

adalah elemen vektor, maka fluk magnetik yang keluar dari permukaan medan adalah:

& = J B . d ; l (30)

Jika medan magnetik material adalah

B,

maka medan magnetik yang dideteksi oleh sensor pada jarak r adalah:

X

D.

Desain Geometri Struktur Multicore

Kualitas sensorfluxgate seperti sensitivitas dan resolusi ditentukan berbagai faktor antara lain: desain geometri elemen sensor seperti: pemilihan bahan inti (core), susunan dan jumlah inti, jumlah lilitan eksitasi danpick-up, ha1 ini dapat terlihat pada tabel 1.

Tabel 1 . Kualitas sensor fluxgate berdasarkan elemen sensor, bahan inti (core) dan konfigurasi kumparan eksitasi dan pick-up.

Berdasarkan tabel 3 di atas dapat dilihat bahwa sensitiv sensor masih rendah. Untuk itu akan didesain elemen sensor menggunakan elemen sensor ellip-multicore double pick-up, seperti ditunjukkan pada garnbar 7a.

No 1 2 3 4 5 Desain Sensor

Close-core persegi, ukuran inti panjang 2 x700 pm, lebar 1000 mm dan tebal 4 pm, jumlah lilitan 40.

Close-core tiga lapis , bahan pita Metglass 27 14 A, tebal inti 15.24 pm, tebal kumparan 0.2 mm

Singel-core sejajar, bahan pita Vitrovac 6025, kumparan pick-up ganda

,

jumlah lilitan bervariasi.

Multilayer-core, bahan Metglas 27 14, tebal logam 200 pm, jarak antara garis logam 200 pm dan resolusi ecthing 100 pm, lubang kumparan pick-up bervariasi.

Multi-core orthogonal, Bahan amorphous CoFeSiB diameter 16pm, tebal 2 pm dan panjang 18 mm 1000 lilitan kumparan pick- up, jumlah core: 16 buah. Sensitivitas multi- core 65 kali lebih besar dari single-core.

Peneliti Ripka. P., et al., 200 1 b Ando, Bruno., et al., 2005 Djamal, M., et all, 2006 Ando.,

B.,

et al., 2006 Li, X.P., et al., 2006b Sensitivit as 0,028 mV/pT. 20 ps/nT 350 mV1p.T. 0.2 psInT.

-

Resolu si - - - -

External Field

t

7 Excitation Coil

& Excitation Coil

..

_.a #... -.

Core Vitrovac 6M5 Z

Gambar 7. Desain elemen sensor model ellip-multicore double pick-up, (a), model elemen sensor oleh Sauer,

R.

(b)

Desain elemen sensor ini memiliki beberapa perbedaan dengan model elemen sensor yang telah dikembangkan oleh peneliti lain, terutama yang dikembangkan oleh Grueger,

H.,

et al., 2002 seperti gambar 7b, model ini menggunakan inti tunggal simetri sejajar, model ini memiliki kelemahan yaitu medan eksitasi antara kedua sisi cendrung tidak sama besar nilainya. Sedangkan Li,

X.P.,

et al., 2006a: 2006b seperti gambar 8 menggunakan multi-core tetapi kumparan pick-up tunggal, kelebihan model multi-core dapat meningkatkan sensitivitas sensor, tetapi secara teoritik belum dijelaskan penyebab meningkatnya sensitivitas sensor tersebut.

Pick-up coil

Multi-core sensing element

BAB I11 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

A. TUJUAN PENELITIAN

Tujuan umum penelitian ini adalah mendesain dan mengembangkan sensor

magnetik flwcgate sensitivtias tinggi menggunakan elemen sensor model ellip-multicore double pick-up dengan teknik harmonisa kedua dan aplikasi untuk sensor getaran pada industri manufaktur. Adapun tujuan khusus penelitian ini adalah :

1. Mendesain elemen sensor menggunakan model ellip-multicore double pick-up. 2. Pengaturan rangkaian penapis, rangkaian balikan dan filter pada pengolah sinyal.

3. Pembuatan prototip sensor getaranflwcgate

4. Pengujian kehandalan sensor seperti uji reliabilitas, uji kestabilan dll.

5 . Aplikasi sensor getaran pada industri manufaktur.

B.

MANFAAT PENELITIAN

Hasil penelitian ini sangat bermanfaat bagi industri-indistri dan pembangunan di Indonesia. Pembangunan sarana dan prasarana di masa modem seperti sarana transportasi baik darat maupun udara yang cenderung serba otomatis akan mendorong pemanfaatan dari hasil penelitian ini. Dengan luasnya aplikasi dari sensor fluxgate, 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. Selain mengembangkan aplikasi sensor fluxgate pada sensor getaran mesin dengan daerah frekeunsi tinggi untuk industri manufaktur, kami juga akan mengembangkan sensor fluxgate untuk frekuensi rendah. Pengukuran getaran dengan frekuensi rendah sangat diperlukan dalam pendeteksi getaran di alam, seperti deteksi getaran bangunan, bendungan dan jembatan. Berdasarkan letak geografis, Indonesia merupakan negara rawan gempa, maka dibutuhkan instrumen yang dapat mendeteksi getaran gempa tersebut agar dapat memberikan informasi secepat mungkin ke pusat informasi seperti Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG), sehingga korban jiwa akibat gempa dapat diminimalisir. Indonesia yang terdiri dari ribuan pulau yang membentang dari Sabang

sampai ke Merauke memerlukan sensor alat pendeteksi gempa dalam jumlah besar. Jarak antara pulau yang berjauhan menuntut penyebaran informasi secepat mungkin mengenai gempa dan bahayanya seperti potensi tsunami. Hasil penelitian ini akan kami kembangkan lebih jauh untuk sistem pengukuran gempa dan monitoring 3 dimensi secara online berbasis sensorfluxgate.

BAB. IV. METODE PENELITIAN

Untuk mencapai tujuan penelitian pada tahun I dilakukan langkah-langkah sebagai berikut

A. Desain Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS) Sensor Fluxgate

B.

Desain Elemen Sensor Fluxgate dengan Variasi Jumlah Lilitan Pick-Up C. Desain elemen sensor fluxgate dengan variasi jumlah lilitan inti (core)

Masing-masing langkah diatas dirinci dalam topik A, B dan C, selanjutnya dilakukan pengukuran terhadap medan magnet lemah. Set-up pengukuran respon keluaran sensor terhrmedan ekternal ditunjukkan oleh gambar 9.

Sensor RPS Multimeter

Kumparan Solenoid

Gambar 9. Set-up karakterisasi keluaran sensor

A. Desain Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS) Analog Sensor

Pada tahap ini dilakukan langka-langkah sebagai berikut:

Optimasi komponen rangkaian eksitasi, dalam ha1 ini dilakukan optimasi terhadap komponen dan model rangkaian pembangkit gelombang eksitasi

Optimasi rangkaian pengolah sinyal, seperti buffer, tapis dan peguat Pengambilan respon keluaran pada masing blok rangkaian

1. Rangkaian pembangkit sinyal eksitasi

Rangkaian eksitasi sering juga disebut rangkain pembangkit sinyal eksitasi (Generator eksitasi). Bagian ini yang berfungsi sebagai pembangkit medan magnetik referensi. Pembangkit sinyal eksitasi terdiri dari Generator eksitasi, buffer dan osilator.

a. Rangkaian penghasil sinusiodal eksitasi

Bagian ini adalah bagian yang mendasar dari semua rangkaian sensor fluxgate karena berfungsi sebagai penghasil sinusiodal selain itu juga berfungsi sebagai filter. Generator akan menghasilkan sinyal yang mampu membangkitkan medan magnetik referensi pada sensor rnelalui lilitan eksitasi. Sinyal eksitasi harus memiliki tegangan yang cukup untuk menggerakkan lilitan eksitasi, ini diperlukan agar sinyal dapat mensaturasi inti ferromagnetik (core). Sinyal eksitasi bergantung pada arus dan frekuensi eksitasi. Arus eksitasi adalah arus yang digunakan untuk membangkitkan (mendrive) rangkaian eksitasi. Frekuensi eksitasi adalah frekuensi yang digunakan dalam gelombang eksitasi yang dihasiikan oleh arus eksitasi. Arus eksitasi dapat berupa gelombang sinus, segitiga atau persegi dimana arus eksitasi akan mempengaruhi besarlkecilnya medan eksitasi. Untuk mengoptimumkan medan eksitasi yang dihasilkan maka diperlukan arus eksitasi optimum. Syarat utarna dari arus eksitasi adalah kedalaman saturasi (deep saturation) dari inti sensor dan penekanan pada komponen frekuensi harmonic genapnya (Kubik, J., 2006). Karena deep saturation sangat berhubungan dengan kebutuhan daya sensor. Menurut Tipek, A., 2005: sensitivtias sensor fluxgate sangat bergantung pada arus eksitasi . Rangkaian sinyal eksitasi ini terdiri dari induktor, resistor dan kapasitor, seperti pada gambar 10.

Gambar 10. Rangkaian Generator Sinyal sinusiodal eksitasi

Hal lain yang hams diperhatikan adalah besarnya daya yang dihasilkan. Sebagai pembangkit medan referensi digunakan lilitan kawat. Lilitan ini memiliki diameter yang relatif kecil (0.1 mm). Pembangkit eksitasi harus dapat mensaturasikan inti eksitasi tapi tidak sarnpai merusak kumparan eksitasi karena pemberian daya yang terlalu besar. Kualitas keluaran sinyal eksitasi ini dapat ditinjau melalui fungsi tranfer seperti ditunjukkan persamaan (32).

Dari persarnaan (32) diperoleh hubungan tegangan keluaran dan masukan.

Kapasitor C digunakan sebagai penghalang arus searah yang mungkin mengalir ke dalam rangkaian eksitasi. Hal ini dimungkinkan karena sifat kapasitor yang hanya melewatkan arus bolak-balik tetapi menghalangi arus searah yang akan melewatinya.

b. Buffer eksitasi.

Bagian ini berfungsi sebagai buffer terhadap sinyal yang dihasilkan oleh generator eksitasi. Salah satu komponen yang cocok dan sesaui dengan kebutuhan sensor fluxgate adalah Mosfet, seperti ditunjukkan gambar 11. Dalam sistem bertahap kadang kala memiliki impedansi masukan yang kecil, atau impedansi keluarannya besar. Sehingga diperlukan rangkaian buffer. Rangkaian buffer yang ideal memiliki penguatan satu dengan impedansi masukan yang sangat besar dan impedansi keluaran yang sangat kecil. Ada beberapa rangkaian bufSer yang dapat dibuat misalnya dengan penguat kolektor ditanahkan, penguat tolak-tarik (push pull amplifzer) atau menggunakan MOSFET.

Gambar 1

1.

Rangkaian MOSFET Sebagai Inverter

Untuk menguatkan arus sebelum sinyal masuk ke dalam MOSFET, terlebih dahulu sinyal dilewatkan pada 6 gerbang NOT dari IC 7404 yang dirangkai secara paralel. Selanjutnya sinyal tersebut dilewatkan pada dua transistor MOSFET yang berbeda tipe, n- MOS d a n p-MOS, dimana dua MOSFET ini berfungsi sebagai CMOS inverter. Pada

rangkaian CMOS (Complementary MOS), ketika Vi =Vcc, T I dalam keadaan On, dan

T2

dalam keadaan Off. Keluaran Vo akan sama dengan 0, karena transistor terhubung secara seri. Sebaliknya ketika Vi sama dengan 0, T I dalam keadaan Off dan T 2 dalam keadaan On. Pada keadaan ini keluaran sama dengan Vcc. Rangkaian logika seperti ini memiliki

I

kelebihan dibandingkan

TTL

karena memiliki daya disipasi yang lebih rendah serta arus keluaran yang lebih tinggi, sehingga rangkaian ini cocok sebagai buffer.

c. Osilator

Osilator berfungsi sebagai sinyal eksitasi yang akan diberikan pada lilitan eksitasi. Dalam pembuatan sensor magnetik fluxgate osilator merupakan rangkaian dasar yang sangat penting. Hal ini disebabkan karena stabilitas dari frekuensi medan yang dihasilkan tergantung kepada stabilitas osilator. Untuk mendapat kestabilan maka digunakan kristal. Gambar 12. menunjukkan rangkaian osilator kristal.

Gambar 12. Rangkaian Osilator Kristal dan IC CD 4060

Frekuensi osilator ditentukan oleh frekuensi kristal, kristal yang digunakan di sini adalah

4.096

MHz,

dengan pembagi frekuensi yang terdapat di dalam IC CD4060.

2. Rangkaian pengolah sinyal Pick-up

Bagian kedua adalah pengolah sinyal lilitan pick-up. Rangkaian ini berfungsi untuk mengolah sinyal yang diterima oleh lilitan pick up sensor menjadi tegangan listrik yang dapat merepresentasikan medan magnet yang diukur. Bagian ini terdiri dari penguat awal dun, detektor fasa (sinkronisasi).

a. Penguat awal.

Bagian ini berfungsi untuk memperkuat sinyal diterima oleh liltan pick-up. Lilitan pick-up akan menangkap medan magnetik referensi serta medan magnetik eksternal. Dalam keadaan tanpa adanya medan magnetik luar, penjumlahan arus yang melewati lilitan pick-up sensor akan sama dengan no1 karena arahnya berlawanan. Ketika diganggu dengan medan magnetik luar, maka terdapat perbedaan arus diujungujung lilitan pick-up.

Selisih arus pada ujung-ujung pick-up koil, kemudian dirubah menjadi tegangan oleh penguat awal yang berbentuk integrator sekaligus diperkuat. Penguat awal terdiri dari sebuah op-amp, sebuah kapasitor, dan dua buah resistor. Penguat ini berfungsi sebagai pendiferensial sinyal yang keluar dari elemen sensor. Arus yang berasal dari kumparan sekunder sensor dirubah menjadi tegangan pada resistor, arus pada resistor sama besarnya dengan arus yang melewati kapasitor, karena adanya prinsip hubungan singkat maya pada kaki inverting dan non-inverting pada op-amp, akibatnya terdapat perbedaan tegangan pada kaki-kaki resistor, besar tegangan ini sama dengan keluaran op-amp. Kapasitor juga berfungsi menghambat tegangan DC yang berasal dari op-amp ke sensor, sehingga tegangan dari op-amp tidak mempengaruhi keluaran dari sensor. Pada frekuensi tinggi rangkaian berfungsi sebagai penguat sinyal. Bagian penguat awal ini dapat dilihat pada gambar 13. Harga komponen-komponen ditentukan oleh kutub dari diferensiator yang di kehendaki.

sensor

d5"-

Out

Gambar 13. Penguat awal sensor yang juga berfungsi sebagai pendiferensial.

Untuk menjaga kestabilan sinyal sensor yang masuk ke detektor fasa, maka keluaran dari penguat awal sensor ditambahkan sebuah buffer. Dengan adanya buffer ini, keluaran

dari detektor fasa akan stabil dan hambatan yang terdapat di dalam detektor fasa tidak akan mengurangi besar tegangan sinyal yang keluar dari detektor tersebut. Pada akhirnya penambahan buffer akan menjadikan keluaran sistem sensor menjadi lebih stabil dari yang

dibuat sebelumnya. Susunan buffer sama seperti pada gambar 14.

b. Detektor fasa (singkronisasi).

Bagian berfungsi untuk mendeteksi fasa dari sinyal yang masuk dari penguat awal, detektor ini akan meneruskan sinyal dengan frekuensi harmonisasi kedua dengan menggunakan frekuensi referensi osilator sebelum dibagi dua oleh pembagi frekuensi, sementara itu harmonisasi ganjil dan yang lain tidak diteruskan. frekuensi detektor fasa ini sebesar 4 KHz, dua kali dari frekuensi eksitasi. Sinyal masukan pada rangkaian detektor fasa berbentuk pulsa sehingga rangkaian ini cukup meneruskan pulsa yang hanya sefasa, atau yang memiliki fasa kelipatan 2.n dan seterusnya. Rangkaian detektor fasa ini terdiri dari sebuah diferensiator dan sebuah saklar analog. Saklar analog ini akan meneruskan sinyal yang masuk sesuai dengan frekuensi dari osilator yaitu 2fo. Gambar rangkaian detektor fasa dapat dilihat pada gambar 15. Rangkaian detektor fasa ini terdiri dari sebuah diferensiator dan sebuah sakelar analog. Saklar analog ini akan meneruskan sinyal yang masuk dengan frekuensi dari osilator yaitu 2fo.

Garnbar 15. Rangkaian detektor fasa, ketika keluaran sensor positif.

Kemudian keluaran dari detektor fasa dimasukkan ke dalam buffer kembali agar sinyal

tidak lemah. Susunan buffer sama seperti

pads

gambar 14.

3. Rangkaian pendukung

Rangkaian pendukung teridiri penguat akhir dan tapis 1010s rendah.

a. Penguat akhir

Pada penguat akhir, keluaran dari tapis 1010s rendah diatur penguatannya. Rangkaian ini diperlukan untuk mengkalibrasi keluaran sensor magnetik agar sesuai dengan medan magnet yang dideteksi oleh sensor. Penguat ini merupakan penguat tak membalik, dimana

penguatanya diatur dengan resistor variabel 1 (VR,). Penguatan minimal sama dengan 1 .

Faktor penguatan penguat akhir dapat dihitung dari persamaan (34)

Gambar rangkaian penguat akhir sensor dapat dilihat pada gambar 16.

Gambar 16. Penguat akhir sensor.

Keseluruhan bagian yang telah dirangkai ini bekerja secara analog. Keluaran yang diperoleh dari rangkaian ini berupa tegangan analog yang merepresentasikan besar medan magnetik yang dideteksi.

b. Tapis 1010s rendah (LPF)

Tapis 1010s rendah Sallen Key tipe Butterworth merupakan tapis 1010s rendah aktif dan juga merupakan pengembangan dari penggunaan tapis 1010s rendah pasif. Penggunaan tapis 1010s rendah Sallen-Key tipe Butterworth orde dua ini memiliki keunggulan dibanding tapi 1010s rendah pasif, diantaranya adalah penguatan sinyal pada fiekuensi di atas fiekuensi kutub adalah -20 dB, dan keluaran yang stabil. Dalam ha1 ini kutub dari tapis ini dibuat rendah, sekitar 1

Hz,

ini sangat kecil dibandingkan frekuensi pulsa fo, sehingga pada kondisi ini rangkaian tapis ini berfungsi sebagai integrator. Gambar 17 menunjukkan rangkaian tapis 1010s rendah Sallen-Key.

B. Desain Elemen Sensor Fluxgate dengan Variasi Jumlah Lilitan Pick-Up

Seperti yang telah dijabarkan dalam laporan sebelumnya, bahwa elemen sensor magnetik yang akan dibuat tampak seperti pada gambar 18.

-

H Esc ... -- . . . - ... ... -. . ... . . "' ... :.-s

-

...

-

- - ... .- ..

-

. .

-

--

-. . . . .

i..:

' - - - * - - - .

$

:,i ) b," N P I C I : . ~ ~ u ,:: -, + I+ 8. ... .. . 8 " 0 [ - .

-.1

. .

i

0 .. . . . . . . . ,..J?.T( .,,,.,

j

,,

* 4 . . , ~ E X C Erc < I Y

Gambar 18. Desain Elemen Sensor Fluxgate pick-up ganda

Model desain menggunakan inti ferromagnetik berlapis (Mufticore). Pemilihan bahan inti sangat penting karena menentukan batas sensitivitas dan akurasi dari sensor (Nielsen O.V. 1995). Disamping itu inti harus bersifat robus terhadap pengaruh luar seperti vibrasi akustik dan deformasi mekanik. Bahan yang memenuhi persyaratan tersebut kaca logam C066.5Fe3.5Si12B18 atau secara komesial dikenal sebagai Vitrovac 6025 (Ioan. C.H. 2005).

C. Desain Elemen dengan Variasi Jumlah Inti Ferromagnetik

Untuk 'melihat pengaruh jumlah inti ferromagnetik terhadap keluaran sensor magnetic di desaian sensor seperti gambar 19.

I ' i . . . . I ; No:,: HE;;-; IE.:< * I 4 i f

1

Gambar 19. Desain Elemen Sensor fluxgate dengan variasi inti

Berdasarkan desain elemen sensor diperoleh dimensi sensor sebagai berikut: panjang

sehingga diperoleh luas core A,,,, = n* 1.5x10-' m2

.

dimana n = I .

2.

3, 4 berturut dan

BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS)

Setelah optimasi semua komponen dibuat skematik rangkaian analog seperti ditunjukkan

gambar 20 Input lilitari Pick-up .- . -. . . .LC .

. .

, by-- . .- -'r-- -. ,- .,.. .

I

Rsngkaian eksitasi / ChlOS icwertw

Gambar 20. Hasil Skematik RPS analog

1. Respon keluaran CMOS Inverter

Berdasarkan pengamatan di osciloskop, sinyal masukan pada rangkaian detektor fasa berbentuk pulsa sehingga rangkaian ini cukup meneruskan pulsa yang hanya sefasa,atau yang memiliki fasa kelipatan 27c dan seterusnya. Rangkaian detektor fasa ini terdiri dari sebuah diferensiator dan sebuah sakelar analog. Sakelar analog ini akan meneruskan sinyal yang masuk sesuai dengan frekuensi dari osilator yaitu 2fo atau 8 kHz.

Gambar 2 1. Frekuensi osolator berbentuk gelombang persegi dengan f = 4 kHz

Gelombang persegi 4 KHz dihubungkan ke rangkaian pengatur fasa untuk meloloskan sinyal dengan hannonisasi kedua (20,). Selain itu frekuensi gelombang ini juga dibagi dua dengan pembagi D flip-flop dan manghasilkan frekuensi 4 KHz. Gelombang persegi dengan frekuensi 4 KHz ini dihubungkan ke rangkaian penyangga eksitasi, untuk menguatkan daya sinyal agar tidak terjadi drop tegangan ketika dialirkan ke dalam transformator. Berdasarkan pengamatan di osiloskop dapat dibuktikan bahwa frekuensi yang terbaca adalah 4 kHz sebagaimana ditunjukkan gambar gambar 22.

Gambar 22. Frekuensi referensi osolator berbentuk gelombang segitiga f = 4 kHz

2. Respon keluaran penguat awal dari lilitan pick-up

Setelah melalui penguatan dengan menggunkan ICLF412, sinyal diperkuat 50 kali lebih besar f = 8 kHz Gain = 50 kali output input 154 dibandingkan sinyal yang masuk. Dari hasil pemotretan di osiloskop, tampak bentuk sinyal merupakan sinyal sinusoida, yang berarti sinyal tersebut merupakan sinyal tegangan listrik AC. Hasil ini sesuai harapan, yang menandakan blok rangkaian penguat awal dapat berhngsi sebagai penguat, dan kapasotor yang dirangkai di blok penguat awal ini dapat menghambat tegangan listrik DC dari Op-Amp sehingga tidak mempengaruhi keluaran sensor

3. Respon keluaran buffer rangkaian pick-up. !

i

_{penguatan dari penguat awal. Untuk menjaga kestabilan sinyal sensor yang masuk ke} Tegangan keluaran dari sensor akan mengalami perbesaran amplitudo sebagai bentuk

I detektor fasa, maka keluaran dari penguat awal sensor ditambahkan sebuah buffer.

Gelombang persegi 4Khz dihubungkan ke rangkaian sinkronisasi untuk meloloskan sinyal harmonisasi kedua(200)

-- -

- - ."-

--

I r

I~lptrt IZitan a

Pic k - up - - Oc~lf~r-

.,

.

- - i

Gambar 24. Sinyal yang diamati pada osiloskop ketika melewati o p amp LF412

yang berfungsi sebagai buffer

I

I Pada garnbar 24. terlihat bahwa amplitudo sinyal antara input dan output memiliki

1, amplitudo yang sama, sehingga bila dibandingkan terlihat penguatanya 1. Keadaan ini

memiliki arti fisis bahwa dengan adanya buffer ini, keluaran dari detektor fasa akan stabil

I

dan hambatan yang terdapat di dalam detektor fasa tidak akan mengurangi besar tegangan sinyal yang keluar dari detektor tersebut. Pada akhimya penambahan buffer akan

I

menjadikan keluaran sistem sensor menjadi lebih stabil dari yang dibuat sebelumnya.

I

Setelah sinyal melewati rangkaian detektor singkronisasi yang berfungsi meneruskan

I

sinyal yang masuk sesuai dengan frekuensi dari osilator yaitu 2f0, sinyal pun akan kembali

masuk rangkaian buffer (IC LF412), buffer ini dipasang untuk menjaga kestabilan respon keluaran detektor fasa. Dari hasil pengamatan melalui osiloskop seperti pada gambar 25. terlihat bahwa sinyal output tidak mengalami perubahan karakteristik dan merupakan

Garnbar 25. Respon sinyal melewati op-amp LF412 berfungsi sebagai buffer

4. Penguat akhir

Sinyal yang keluar dari integrator masih lemah dan perlu diperkuat agar dapat diukur. Penguat yang digunakan disini adalah penguat inverting atau penguat membalik. Keluaran yang diperoleh dari rangkaian ini berupa tegangan analog yang merepresentasikan besar medan magnetik yang dideteksi. Rangkian penguat akhir yang digunakan ditunjukkan oleh gambar 26a. Besar penguatan akhir menurut persamaan (3) adalah adalah 26 kali. Sedangkan berdasarkan pengukuran dengan menggunakan osiloskop (gambar 26b) diperoleh penguatan sebesar 25 kali. Hasil ini tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan secara matematis. Adapun perbedaan ini mungkin diakibatkan oleh keadaan fisis komponen elektronika yang nilainya tidak tertalu tepat sesuai dengan sfesifikasinya serta akbiat dari disipasi panas timbul pada rangkaian elektronika. Namun ha1 ini menunjukkan bahwa rangkaian penguat akhir bekerja dengan baik.

Gambar 26. Penguat akhir (a), Sinyal ketika melewati op amp LF412 yang berfungsi

5. Respon keluaran integrator

Tapis 1010s rendah Sullen Key tipe Butterworth merupakan tapis 1010s rendah aktif. Tapis ini dipakai agar penguatan sinyal pada frekuensi di atas frekuensi kutub -20 dB, dan keluaran yang stabil. Pada gambar 27. dapat dilihat bahwa amplitudo input dan outputnya sarna, dengan bentuk sinyal yang smooth..

Gambar 27. Sinyal keluaran pada rangkaian tapis 1010s rendah

Rangkaian low pass filter juga berfungsi sebagai integrator, sinyal AC dari sensor dirubah menjadi sinyal DC. Dengan demikian tapis ini berfungsi dengan baik untuk meloloskan sinyal berfrekueni rendah dan meredam sinyal berfrekuensi tinggi seqa meredam noise yang dihasilkan dari sensor dengan keluaran yang stabil. Ciri bahwa sinyal keluaran sensor merupkan sinyal

DC

adalah pada osiliskop terlihat berbentuk garis lurus.

B.

Konfigurasi jumlah Lilitan Pick-up Ganda

Konfigurasi untuk lilitan pick-up ini adalah 2x(40/20/40), 2x(40/30/40), 2x(40/40/40), 2x(40/50/40), 2x(40/60/40), 2x(40/70/40), 2x(40/8040), inti yang digunakan adalah Vitrovac 60252 dengan ukuran 2x 0.025 mm. Desain untuk konfigurasi ini ditunjukkan gambar 28.

Gambar 28. Photo elemen sensor fluxgate dengan konfigurasi lilitan pick-up

Hasil pengukuran untuk konfigurasi ini ditunjukkan gambar 29. 5

-

-

-

-

2

al 3 e

-

-

n . r. I I I I 1 2-50

_-

_-

-40 -30 -20 -1 10 20 30 40 50

-.

-

-t JOW0140

=

-

40/70140 <= _40160j40 40150140

-

4W4040140 -5 - 40130140

fvla!lnetic Field Sources lrlTI -+-- 40F20140

Gambar 29. Hasil pengukuran untuk konfigurasi lilitan pick-up (daerah saturasi)

Untuk melihat daerah linier pengukuran dilakukan pemotongan, seperti ditunjukkan gambar 30 f

-

₀ >, Q) =I 0 C

-

0 > L- 3-20 -15

-

P 5 10 15 20 25-

.-

3 + 40180140 0 -+ JWi0140 4ntEioi 40

-

- 4W50f40

+

40140/40 L 4W30140

Magnetic Field S ources (uT) 40120j40

Garnbar 30. Hasil pengukuran untuk konfigurasi lilitan pick-up (daerah linier)

Pada gambar 30 terlihat jelas hubungan jumlah lilitan dengan tegangan keluaran, jumlah lilitan sebanding dengan julah lilitan, tetapi berbanding terbalik dengan daerah linier medan magnet. Untuk inti dengan area lebih lebar memberikan sensitivtias lebih tinggi. Sensitivitas dan daerah linier sensor dirangkum dalarn tabel 2.

Confio,urations Daerah Ke rja Tabel Sensithitas

No

I

Corrfig 'serisitivrf (mV.'I#V

. , c .! ,L;t.~f.'. : , k i.. 1

1

J[-;i';';d;IC_I a ) - " 1 : i

-

-I

-

-,

1

4G;;l;j43 :Id 36

3 j Jl~:;;C/~O ? ---..-'I 7 1 :el-,

-

-

:

:

5l-J t;: * . - 5

1

:l-~;l:i;:J::l "47 ;! i -

-

-

6

1

[ij71:.{4lj , I ? I - 1 L . -.- 7 j IBP~:!/~o *:qc

_..

7 0 - J . ; I",

C. Konfigurasi Jumlah Inti Ferromagnetik

Untuk melihat pengaruh jumlah inti ferromagnetik terhadap tegangan keluaran sensor fluxgate didesain elemen sensor flwcgate 4 0 x 2 0 ~ 4 0 dan 4 0 x 8 0 ~ 4 0 dengan konfigurasi jumlah inti berturut-turut 1 , 2 , 3 dan 4 lapis. Lilitan menggunakan kawat email berdiarneter 0.09 mm. Material yang digunakan sebagai inti adalah Vitrovac 6025X dengan ukuran 0.75x0.025 mm. Desain elemen sensor yang digunakan untuk menguji pengaruh ini adalah model pick-up ganda inti berbentuk oval (race-track). Pengaruh jumlah inti ditinjau dengan terlebih dulu mengukur indukstansi diri elemen sensor. Hasil

pengukuran ditunjukkan gambar 3 1.

Gambar 3 1. Induktansi diri untuk konfigurasi jumlah inti sensor

Gambar 3 1. menunjukkan pengaruh jumlah inti ferromagnetik terhadap nilai indusktasi diri sensor. Terlihat bahwa nilai indusktansi diri konfigurasi 4 0 x 8 0 ~ 4 0 lebih besar dari 4 0 x 2 0 ~ 4 0 , ha1 ini sesuai dengan teori dimana jumlah lilitan sebanding dengan indukstansi diri sensor. Selain itu hubungan jumlah inti dengan indukstansi diri juga menunjukkan peningkatan, makin besar jumlah inti makin tinggi nilai indukstansi dirinya.

Faktor demagnetisasi elemen sensor dapat dihitung setelah besar dimensi geometri sensor

diukur. Geometri elemen sensor ditunjukkan gambar

XX.

Berdasarkan pengukuran

diperoleh: panjang (1) = 23.6 mm, lebar (T) = 0.75 mm, tebal (t) = 0.025 mm, diameter (d)

= 2.3 mm, sehingga luas inti A,,, = n* 1 . 5 ~ lo-' m2 , dimana n = _{1, 2, 3, 4 dan A} c,,,, =

6 2

8.3 1 x 10- m . Hasil perhitungan faktor demagnetisasi ditunjukkan gambar 32.

0 4 4

0 I 2 3 4 5

Tape-core layer number

Garnbar 32. Faktor demagnetisasi untuk konfigurasi jumlah inti sensor

Terlihat jelas pada gambar 34 peningkatan jumlah inti sebanding dengan nilai faktor demagnetisasi sensor. Jika dihubungkan dengan tegangan keluaran sensor sebagaimana persamaan (17), maka dapat terangkan bahwa peningkatan jumlah inti ferromagnetik dalam elemen sensor akan mengurangi nilai tegangan keluaran sensor. ha1 ini tentu juga seiring dengan penurunan nilai sensitivitas sensor, sebaigaimana ditunjukkan Garnbar 33.

0 I 2 3 4 5

Tape-core layer number

Dibandingkan dengan model elemen sensor (Gambar 8), hasil yang kita peroleh berlawanan dengan yang diperoleh oleh yang dilakukan oleh Li, X.P 2006. Perbedaan ini dikarenakan perbedaan cara dan metode proses pembuatanya.

D.

Pengukuran Respon Sensor Terhadap Medan Magnet Lemah

Untuk pengukuran respon sensor terhadap medan magnetic lemah dipilih desain sensor fluxgate menggunakan kumparan double pick-up 2x20 lilitan, sedangkan kumparan eksitasi 2x40 lilitan menggunakan kawat email berdiameter 0.09 mm dan inti ferromagnetik sebanyak 4 lapis, kemudian dillakukan pengukuran tegangan keluaran dengan memberikan sumber arus dc pada solenoide sebagai sumber medan magnetik sensor. Setelah itu ditentukan resolusi sensor, kesalahan mutlak dan relatif dengan pendekatan regresi polinomial.

Berdasarkan pengukuran dalam rentangan sumber medan magnetik k200 pT diperoleh tegangan keluaran sensor seperti ditunjukkan gambar 34. Terlihat daerah saturasi pengukuran berada pada orde puluhan. Daerah saturasi ini merupakan batas daerah pengukuran medan magnetik yang dapat terukur oleh sensor.

Gambar 34. Respon tegangan keluaran sensor untuk daerah *200 pT.

Untuk mencari daerah kerja sensor dilakukan pemotongan pada daerah linier, hasilnya ditunjukkan oleh gambar 35.

y = 0 . 1 0 1 ~ + 0.005 1.5 - R 2 = 1 1 -

-

-

- 0 L 0.5 - L 0 V) C rn f n _, 1 m c -15 -1 0 -5 5 10 15

e

m 3

-

_a v_ - 1

'

1

Medan -1.5 magnetik (uT)

Gambar 35. Daerah linier pengukuran sensor untuk daerah h10 pT

Berdasarkan gambar 35 terlihat bahwa keluaran sistem sensor sangat linier, ha1 ini terlihat dari nilai R~ = 1. Selain itu grafik juga menunjukkan bahwa medan magnetik

eksternal yang terukur sebanding dengan tegangan keluaran sensor, ha1 ini sesuai dengan persamaan (34).

Sensitivitas sensor diperoleh berdasarkan kemiringan grafik daerah linier tegangan keluaran sensor yang ditunjukan oleh persaman regresi liner;

Dimana B dalam uT dan V,,, dalam mV, berdasarkan persamaan (34) diperoleh sensitivitas sensor 10 1,8 mV/uT, artinya tiap 1 uT sensor dapar mengukur perubahan tegangan sensor

Kesalahan pengukuran dihitung menggunakan pendekatan persamaan linier (34). Berdasarkan pendekatan matematika ini diperoleh kesalahan absolute dan relative pengukuran seperti ditunjukkan gamabr 36 dan 37.

Gambar 36. Kesalahan absolut keluaran sensor

Terlihat kesalahan maksimum absolut sekitar 25 nT. Kesalahan absolut ini mewakili resolusi dari sensor. Kesalahan relatif keluaran sensor diperoleh 0.13% terjadi pada medan magnetik sebesar -7.872 pT. Kesalahan yang diperoleh sangat kecil sehingga dapat dikatakan sensor ini mempunyai karakteristik tegangan keluaran yang sangat bagus.

h

g

\C _u tU

-

Q) Ir -1 C (6 C

-

m - m cn a, Y

Medan Magnetik (uT)

Gambar 37. Kesalahan relatif keluaran sensor

Berdasarkan hasil di atas terlihat resolusi sensor masih di atas 10 uT, untuk memperbaiki resolusi sensor maka dilakukan upaya terhadap rangkaian pengolah sinyal dengan cara menarnbahkan orde yang lebih tinggi terhadap bagian Low Pas Filter (LPF).LPF yang

sebelumnya hanya orde dua (2th orde) ditambah menjadi orde enam (6Ih orde). Model respon untuk LPF orde ke-6 ditunjukkan gambar 38

0 . i C .3 1 " 1 10 3C F I H ~ I

Normalised Freqliercy

Gambar 38. Respon LPF untuk orde ke-n

Terlihat dari gambar 38 bahwa orde enam (tith orde) mempunyai kurva filter yang sangat

tajam, artinya filter yang digunakan akan semakin baik apabila ordenya semakin tinggi karena akan mendekati keidealan filter. Untuk membangun suatu filter orde 6, bisa dilakukan dengan memasang filter orde kecil secara serial seperti ditunjukkan gambar 39.

orde4J

(.rC-CM, (--., o r d e 3 (.-*.--* orde-6)

Gambar 39. Rangkaian seri Stallen Key orde enam (6th orde)

~

Hasil pengukuran keluaran sensor dengan menggunakan LPF orde enam ditunjukkan gambar 40.

Gambar 40. Daerah linier pengukuran sensor untuk daerah *20 pT.

9

Terlihat dengan menambahkan

LPF

orde enam daerah linier lebih panjang dari sebelumnya tetapi sensitivtias sensor tidak mengalami perubahan. Berdasarkan pendekatan matematika melalui persamaan linier orde-3, seperti ditunjukkan gambar 41.

3.0

-

y = 0 . 1 0 2 ~ + 0.003 R 2 = I 2.0

-

-

-

- 0 L C e m 2 1 - 2 -30 C m m C m m ? -3.0

-

Medan rnagnetik (uT)

1

Gambar 4 1. Kesalahan absolut keluaran sensor

Terlihat dengan pada gambar 41 kesalahan maksimum absolut lebih kecil. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan

LPF

orde-6 dapat menurunkan nilai kesalahan absolut sensor lebih kecil artinya resolusi sensor juga makin tinggi yaitu 7.6 nT. Hasil ini telah sesuai dengan tujuan yang diharapkan dimana dibawah 10 nT.

BAB.

VI.

KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan hasil dan pembahasan di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Telah berhasil didesain elemen sensor fluxgate dengan model ellip multi-core kumparan pick-up ganda.

2. Rangkaian analog yang dikembangkan telah berhasil digunakan sebagai rangkaian pengolah sinyal sensor magnetik fluxgate dimana pemilihan jenis rangkaian dan nilai komponen sangat menentukan respon keluaran

3. Berdasarkan konfigurasi terhadap jumlah lilitan diperoleh kesimpulan bahwa jumlah lilitan sebanding dengan sensitivtias sensor sedankan konfigurasi terhadap jumlah inti ferromagnetic di peroleh nilai sebaliknya, ha1 ini di sebabkan oleh

faktor demagnetisasi dari inti yang digunakan

4. Berdasarkan karakterisasi keluaran sensor diperoleh daerah linier sensor

+

10 pT dengan sensitivtias 10 1,8 mV/uT dengan resolusi 25 nT

5. Untuk meningkat daerah linier dan resolusi sensor telah dilakukan optimasi terhadap RPS dengan cara menambahkan LPF orde yang lbih tinggi (6th orde), Berdasarkan karakterisasi diperoleh daerah linier lebih lebar yaitu +20 pT dengan resolusi 7.6 nT

Untuk memperoleh hasil yang lebih baik dan memperkecil tingkat kesalahan realtif perlu dilakukan perbaikan pada desain rangkaian pengolah sinyal sensor dan konfigurasi desain elemen sensor. Selain itu untuk memperoleh resolusi yang tinggi dan menghilangkan nois seperti medan magnet bumi, dan medan magnetik lainnya perlu diperhatikan bahwa melakukan pengukuran harus pada daerah yang bebas dari nois.

Berdasarkan hasil yang diperoleh pada tahun I, maka sangat terbuka peluang untuk membuat aplikasi pengukuran salah satunya sesuai dengan target dari proposal ini dalam tahun I1 yaitu sensor getaran untuk industri manufaktur. Besar harapan kami supaya penelitian ini dapat di danai untuk tahun kedua sehingga diakhir tahun I1 kami dapat memperoleh sensor getaran berbasis fluxgate yang kompatibel untuk sensor getaran

LAMPIRAN

PHOTO

HASIL EKSPEMMEN

HIBAH

BERSAING 2009

. -I

Garnbar L 1. Photo Rangkaian dan bahan elernen sensor fluxgate

Garnbar L2 Photo rangkaian, solenoida sebagai kalibrator dan Inslrurnen pengukuran

Gambar 1 2 . Photo insurnen dan keluaran rangkaian e k s ~ t a s ~

Personalia Tenaga Peneliti N o 1 2 3 Bidang Keahlian

Fisika lnstrumentasi & Elektronika Fisika Instrumentasi & Elektronika Fisika lnstrumentasi & Elektronika Nama dan Celar

Akademik Drs. Hufri., M.Si Yulkitli, S.Pd., M.Si Dr.-lng. Mitra Djamal lnstansi UNP UN P ITB