!"#$%&"'()$"*
!"#!$%&'&(%)#!*+!"%
,!-./0012
*3445&*6786964:&.;!<;
,=6786964>?45;6<;@=2
A%$B%).&!(+*C&-C!CD)
Sensor & Transduser (SFM-332)
Denny Darmawan
!"#$%$#&'($)$'*")+$',"-,.)'/$-' 0)$-,/1,")'/$-'*.-,"2'3,&*$'4$-5'
#"6$-/$,&-4$
7"809..*:
;$66$,'<)"-4'='!"#$%&'(#)'!*+#(,'-%#)*.%#*#+
>$(.9'?)$/"-'='/(#)0%%1'%2'3%)"&#'!"#$%&$
@$-'A&-(6$&)'4'!"#$%&$'(#)'5&(#$)67"&$
BC$61$,&:
DEF'715$,GH1&IG;).+"(0 DEF'J7A
!"#$%&'(')&*#$+,$"& -!./01123
45#6&%'$7$6"8'9"#:,;,&*#<
4=>=<'?%#$"9'@*$*&
)&*#$+,$"&'A'
!"#$%"'B*#:'8"#:,C*D'$7#B*E'
+*&7'$*6,'C"#6,;';"'C"#6,;'B*#:'E*7#'
!"#$%"'B*#:'8"#:D*$7E;*#'$7#B*E'E7$6&7;'
+7$"C,6'!"#!$%
,8,8#B*'$7$6"8'9"#:,;,&*#' 8"8*#I**6;*#'$7#B*E'E7$6&7;J'$"D7#::*'
C"&:*#6,#:'9*+*'$"#$%& ,$-%..-*)%"'&'/$0"1$%.-2-3)%"
$*$2/34%&2+
! !"#$%&'+*9*6'+7+"$*7#',#6,;'$"8C*&*#:'C"$*&*#'#%#0
E7$6&7;
! K#"&:7'H+*;'9"&E,'C*#B*;'+7*8C7E'+*&7'9&%$"$'B*#:'
$"+*#:'+7,;,&';*&"#*'$7#B*E'%,69,6'+*9*6'+79"&;,*6
! ')"&$"+7*'C*#B*;'F*&7*$7'5L',#6,;'9"#:;%#+7$7*#'*6*,'
8%+7M;*$7'$7#B*E'E7$6&7;
! )"&$"+7*'C*#B*;'97E7D*#',#6,;'8"#*B*#:;*#'*6*,'
8"#N*6*6'7#I%&8*$7'+"#:*#'*E*6'"E";6&%#7;
! )&*#$87$7'$7#B*E',#6,;'$7#B*E'E7$6&7;'8,+*D'+7$"$,*7;*#
)"&;*+*#:'7$HE*D'$"#$%&'+*#'6&*#+,$"&' 8"#:*N,'9*+*'C"#+*'B*#:'$*8*'
)&*#$+,$"&'7#9,6'+7;"#*E'$"C*:*7'$"#$%&' -+"6";6%&'O7;*'$7#B*E'C"&,9*'&*+7*$73
!"#$%&'()*+#,-,#'+#.+-'/"/0"&%1"2' )#3%&/,$)
4-.+,.%&'()*+#,-,#'+#.+-'0"#*+5,2' "#"&*)
6"#*-%#()$),#'!)#7,1
!"#$%&'()*+,-)*+&./0*12
3&4)(()*&52/067&8)9/(&"#"&:)0&"#$
!"#;%&'10,<=2)*+&>0?=@AB=@?=@ .+06)(&1=@?=@&C:)-&*/?/0=D06)&9/2)*)(&
:)2+&*+06)(&+0?=@
3&@/2:)?)@&*+06)(&+0@/2E/2/0*+
3&4)(()*&52/067&F)G9)2&"#;
H10@1D&-)*=*7
G/0<=-=2&<)6)&3&*@2)+0&<)</
*@2)+0&<)</&I&-/C-)&):)&@/-)0)0&G=0J=(&K)2+)*+& D)G9)@)0&(+*@2+-&&3&*/0*12&@/-)0)0L<)6)M ?/2=9)D)0&*=D=&N=<)&G/G+J=&K)2+)*+&D)G9)@)0M K)2+)*+&*=D=&I&+0@/2E/2/0*+&O!>P&:/0<)0&<)+0&"> stanford.edu
.@2)+0&F)</
.@2)+0&<)</&G/-)0+-!"#$%&'()*%(#'+&'*#,"#,#'-&%./'%&'()*%
!E"F%3./$%-#'-&3"%*#,8/./(%-&'4/6%&'*#,"#,#'-&
!"#$%&'()(*&+)(,-&+.-)/0&1/234*45(2
-.-)/0&6/234*45(2&
7&8/-(5(2&9(23&:.4*45&8/548(;&-(23()& <(08()&
7&;(29(&6/5<4&)(;4&=()(*&-)(,-&:(5.&-/2->5
'()(*&-)(,-&?43(&0/06/23(54;.& =()(*&:.2(0.-&:(5.&-/2->5
'()(*&:.2(0.-&@&*/<(*4(2&-/2->5&*/,*(& 8/-(5(2&9(23&:.4*45&8/548(;&)/5;(:(6&
=(*)4
!A*45(-.B&15/-.-.B&+/2-.,C.)(-%
!"#$%&'
@&2.<(.&*4(<.)(-&9(23&0/242?4**(2&*(6(-.)(-& :(5.&(<()&4*45&42)4*&0/08/5.*(2&;(-.<&9(23& 0/2:/*(,&2.<(.&-/8/2(529(&:(5.&8/-(5(2&
)/54*45 D.<(.&-/8/2(529(&@&2.<(.&9(23&:.6/5></;&:(5.&
6/234*45(2&9(23&-/06452(
7&,:(*&6/52(;&:(6()&:.6/5></;E:.)/2)4*(2
A*45(-.&-/2->5&7&:.6/5></;&:/23(2&*(<.85(-.&
-)(,-7&-/04(&.264)&:.84()&*>2-)(2&*/F4(<.&-()4& 8/-(5(2&9(23&(*(2&:.4*45
7&.264)&8/548(;&-(23()&<(08()B& 0/08/5.*(2&2.<(.&*>2-)(2&8/5)454)(2&
:(<(0&5(23/&6/234*45(2
7&;(-.<&>4)64)&-/2->5&9(23&8/5)454)(2&:.F()()
!""#"!"#$%$&'!()*+$,-$.*$/0!
?!/4%$4!6$%$&/5$!+4.)37&!$%&'()*('+,)
@4%$4!7,72!+$/!6$%$&/5$!8$27.!
! dilakukan dengan orang, alat dan tempat yang berbeda
&#'$%()%*+$
1!,)9424/6$/!,72B$!,$%432$.4
S"xa#!dy dx
!"#$%&'()*$+&'&'),%-)&+-&'./'0%&)1+$#*%"%-) 2%0%")3%-4)5#"#*)#-0#")1+-44%16%$"%-)
"+7%"#%-)&0%.&),%$')&+-&8$()-%1#-)*%,%) 6+6+$%*%)"%&#&),'0%16%9"%-)2%0%")7%'--3%:
!"#$%&"'%(
;)"+,+"%0%-)%-0%$%)"#$/%)"%7'6$%&'),+-4%-) &#%0#)4%$'&)7#$#&
<%"08$)#0%1%)3%-4) 1+1*+-4%$#9')7'-+%$'0%&:
$+&87#&' 6%0%&)=09$+&987,>
9'&0+$+&'&
?%7%0)@'&0+1%.&
A)0+$B%,')"+."%),%7%1)1+-4#"#$)-'7%')3%-4) &%1%),%$')&#%0#)6+&%$%-)*%,%)"8-,'&')3%-4) &%1%()-'7%'-3%)0+0%*)%0%#)6+$#6%9)"+."%)
"8-,'&'-3%)6+$#6%9
?%7%0)@'&0+1%.&
A),'&+6%6"%-)87+9)%7%0()*+7%"#)*+-4#"#$%-() 1+08,+)%0%#)C%"08$)7%'-)
='"7'1()1+"%-'&()7'&0$'"()+05D> E+9%,'$%-)$%7%0)&'&0+1%.&),%*%0),'0+1#"%-)
,+-4%-)1+-4#"#$)6+&%$%-)3%-4)&%1%) 1+-44#-%"%-),#%)%7%0)6+$6+,%()
,#%)1+08,+)6+$6+,%() ,#%)*+-4#"#$)6+$6+,%()
%0%#)1+-4#6%9)"8-,'&')*+-4#"#$%-?%7%0),%7%1)*+-4#"#$%-)0%")7%-4&#-4) 1+$%16%0),%$')&+.%*)6+&%$%-)0+$#"#$)
"+)6+&%$%-)3%-4),'9'0#-4
!"#$"%&'(') B+)/&-(")+"&!"2
!"#$"%&"%$"'"&#%()$&*+%,"%&-)$()$& ("*"&.+%.-'&-'*+&%-/0
!1"2&3&#&&$1"2
-)$()$ #%()$
sensitivitas statis
4+%.#56#$".&#&7+'.#8"$&.$"5.9&.+:#%,,"& $+$"(&.";"&7+'"("()%&8'+<)+%.#&#%()$%="
*+%,"%&H&I&$&I&$;&*"%&%'&$+,"%,"%&"B)"%& .+:#%,,"&#&3&%'&J&$;
?+/".#&"%$"'"&#%()$&$1"2&*"%&-)$()$&!1"2& .+%.-'&-'*+&(+'$";"0
#&3&DJ&H > .+%.#56#$".&.$"5<
!"#"$%&'()*+#",$%+"$'")"-(.()$+,.+#$ -(,//"-0")#",$1&1.(-,2"3
!$+,.+#$)(1'4,$1."51
"$"."+$#6$+,.+#$)(1'4,$%&,"-&1
7"0(*$89:$;$1&,2"*$4+.'+.$%")&$
>4,.4?$1(,14)$4)%($'()."-"3$$%&'('%$%&$
0()0"1&1$-"11"$)$$ %(,/",$#"*4)$@(,&1$*A$ *+"1$")("$'()'&,%"?",$'","1$+A$ %",$#4(B1&(,$'()'&,%"?",$'","1$,
C"%"$#("%"",$1.("%2$1.".(3
H(,/",$.)",1I4)-"1&$J"'*"6(A$%",$"$G$,+K)*$ %&'()4*(?
$$!$$$;$1(,1&5Q&."1$1."51 $$/$$$;$)"1&4$)(%"-",
!"#!$%&'&#()%*+,(%,!-%!)!)%.(+/-$!0
'"7!#;%"-)!"%<!:-%.(+:-"#!":%7-,-%! "%,-"%=
!"#$%&'()**"*%1%<'$-%7(":-).'/-"%,-6-% )(":!.-9%"'/-'%I-+'-.(/%6-":%,'!$!+%
J(8$-%)(":!$!+%.(&-+-"%"
2;%)!"F!/%.(&-+-"%"K% 6-":%&(,()'$'-"%&(9'"::-%7(+$-/'-"%"
)()'/'$'%,')("&'%,-6-!"#$"%&
'(#)*+*,-)./.-0--1*#2*3-+(2(4.$.# '(#)*+*,-3.5*-.36,.#-0-1*#2*3-4(#*,*#.#-$(+.#.#
'(#)*+*,-7*%*-0---1*#2*3-.36,.#-4.#.7 '(#)*+*,-.,*7-367$,6+--0-1*#2*3-4(#*,*#.#-$().#).#
8.,6.9(3-*7.%.-:!"#$%;-0-$().#).#<-$(+.#.#<-7*%* :=6*+*,-.#$.,.-=*.->>+-=.3.1-,*.#);
8.,6.9(3-.36,.#-:&#' ;-0-.,*7-367$,6+<-.36,.#-?"3*1<-.36,.#-4.#.7
:=6*+*,-4.=.->>+-=.3.1-,*.#);
@./.-/.#)-=6.1963-=.,6-767$(1-/.#)-=6*+*,&-(-A-)B)C
-D6+.-=66#)6#+.#-(-16#61*1<-)C -%.,*7-7(+(263-1*#)+6#-0-614(=.#76-6#4*$-%.,*7-9(7.,
D6+.-(
-%.,*7-16#61*1-+(>+.-1(#)*+*,-?.,6.9(3-.36,.#<-)B-%.,*7-+(263-0-614(=.#76-6#4*$-+(263 !"#$"%&
,-$./01-2.3$! -0-=67(9.9+.#-.=.#/.-=(G(+-/.#)->=.+-$(,=($(+76-4.=.-4,"7(7-I*.36$/-2"#$,"3
45-67!01-2.3$!-0-.+69.$-7$,(77-,.#="1
Sensor & Transduser (SFM-332)
[Intro sistem pengukuran] bagian 2
[1.7] Sensor Dasar
Sensor Dasar:
1) Sensor Suhu 2) Sensor Tekanan
3) Sensor Kecepatan dan Laju Aliran 4) Sensor Level
5) Sensor Gaya dan Torsi
6) Sensor Percepatan dan Kemiringan 7) Sensor Kecepatan
1) Sensor Suhu: Bimetal
Bimetal ! terdiri atas gabungan
dua keping logam
dengan koefisien muai panjang yang berbeda
Ketika terjadi perubahan suhu, keping bimetal melengkung membentuk busur lingkaran
keping bimetal dengan koefisien muai yang berbeda (!A dan !B) bimetal dikenai perubahan suhu
r! 2t
3"#A$#B%"T2$T1%
Besarnya jejari kelengkungan busur:
Jejari kelengkungan berbanding terbalik dengan perubahan suhu
Logam dengan !B < 0 menghasilkan r kecil ! sensitivitas tinggi
Keping bimetal dapat digunakan dalam rentang suhu -75 °C hingga +540 °C
! umumnya pada suhu 0 °C hingga +300 °C
Keping bimetal diproduksi dalam bentuk:
Cantilever, Spiral
Helix Diafragma
dengan jarum penunjuk dilekatkan ke salah satu ujung keping untuk pembacaan angka suhu
Keping bimetal dalam bentuk spiral
sciencephoto.com
Termometer bimetal
koboldmessring.com
reotemp.com Termometer bimetal
Koil bimetal untuk termometer
wikipedia.org
Keping bimetal juga digunakan sebagai aktuator untuk membuka/menutup kontak
! termostat, kontrol on/off, starter lampu neon
Millivolt termostat
2) Sensor Tekanan
Tekanan ! Gaya Luas
Differential pressure
! beda tekanan antara dua titik pengukuran
Gauge pressure
! diukur relatif terhadap tekanan sekitar
Absolute pressure
! diukur relatif terhadap tekanan
di ruang hampa udara
! membandingkan tekanan yang akan diukur dengan tekanan acuan dan menghasilkan selisih tinggi kolom cairan h
Manometer kolom cairan
h!p"pref
#g
Manometer kolom cairan
! ditemukan oleh Torricelli (1643) (vertical tube) dan Huygens (1661) (U-tube)
Evangelista Torricelli
(1608 – 1647) Italian physicist & mathematician
Christiaan Huygens
(1629 – 1695) Dutch physicist, astronomer
& mathematician
Elemen elastis! mengalami perubahan ketika
dikenai tekanan hingga tekanan internal setimbang dengan tekanan luar
! tabung Bourdon, diafragma, kapsul
Tabung Bourdon
Tabung Bourdon
! tabung logam yang dipipihkan dengan salah satu ujung buntu
! ketika tekanan masuk dari ujung terbuka, tabung cenderung meluruskan diri
! dipatenkan oleh Bourdon pada 1849
Eugene Bourdon (1808 – 1884)
French Engineer
directindustry.com
Sensor tekanan dengan tabung Bourdon Sensor tekanan dengan diafragma
spiraxsarco.com
Sensor tekanan diafragma
! pelat lingkaran terdiri atas membran, berubah bentuk ketika dikenai tekanan
Untuk pelat tipis dengan ketebalan t dan jejari R
mengalami beda tekanan "p, jika simpangan bagian tengah sebesar z < t / 3, maka: Diafragma yang besar dapat mengalami
simpangan besar, namun kerentanan tinggi
Pelat yang tipis juga dapat mengalami simpangan besar, namun rapuh
! solusi: dikombinasi dengan strain gage
pressuregauge-vacuum.com Sensor tekanan dengan diafragma
Sensor tekanan dengan kapsul diafragma
Kapsul menghasilkan simpangan lebih besar dibanding diafragma
Sensitif terhadap getaran dan percepatan, dan memilki respon dinamis yang rendah
Sensor tekanan dengan kapsul diafragma
directindustry.com wikipedia.org
3) Sensor Laju dan Kecepatan Aliran
Aliran
= gerak fluida dalam kanal/saluran terbuka/tertutup
Laju aliran
= besarnya materi (dalam volum atau massa), yang mengalir tiap satuan waktu
Tipe aliran fluida:
Laminar: umumnya kecepatan rendah; Turbulent: umumnya kecepatan tinggi
Profil kecepatan aliran:
Aliran Laminar: kecepatan aliran di tengah lebih tinggi dari bagian tepi
! profil berbentuk parabola
Aliran laminar:
! Semua partikel mengalir sejajar dinding kanal
Aliran turbulent:
Differential pressure
Hukum Bernoulli
p!"g h!"v
2
2 #constant
Tekanan statis
Rapat fluida
(incompressible) Percepatan gravitasi
Tinggi terhadap permukaan acuan Kecepatan aliran
Daniel Bernoulli (1700 – 1782)
Dutch-Swiss Mathematician Ide dasar pengukuran kecepatan aliran:
(via Hukum Bernoulli)
! Letakkan penghalang pada fluida yang mengalir dalam pipa
! tentukan penurunan tekanannya
spiraxsarco.com
Orifice Plate
Flowmeter
Q#A1v1#A2v2
Prinsip kekekalan massa: Hukum Bernoulli:
p1!"g h1! Orifice Plate Flowmeter
Kelemahan Orifice Plate:
Hilangnya sebagian tekanan (loss of pressure)
! tidak dapat mengukur fluktuasi aliran
! dapat diganti dengan flow nozzle dan tabung venturi
Flow nozzle
Venturi tube Flow nozzle
dan tabung Venturi disisipkan ke dalam pipa
Elbow Flowmeter
efunda.com
Variable area flowmeter (rotameter):
! juga menerapkan Hukum Bernoulli dan prinsip kekekalan massa
! perbedaan tekanan dibuat konstan, kecepatan
aliran terkait dengan luasan yang dilewati aliran
Rotameter
alicatscientific.com
Rotameter
spiraxsarco.com
Rotameter harus digunakan pada kanal vertikal
spiraxsarco.com
Saluran terbuka Saluran Tertutup
Tabung Pitot
v!"2gh v!
"
2#pt$p% &Tabung Pitot
Henri Pitot
(1695 - 1771) French Engineer Laminar flowmeter
alicatscientific.com
Laminar flowmeter
directindustry.com
Laminar flowmeter ! hukum Poiseuille:
Laju aliran volumetrik ~ penurunan tekanan
!p"Q8#L
$r4
Panjang tabung
Viskositas fluida Jejari tabung
Jean Louis Marie Poiseuille
(1797 – 1869)
French physician & physiologist
Target Flowmeter
Target Flowmeter
Target Flowmeter
Turbine Flowmeter
spiraxsarco.com
Turbine Flowmeter
directindustry.com Turbine Flowmeter
Positive Displacement Flowmeter
Nutating disk method
Positive Displacement Flowmeter
Sliding vine method Positive Displacement Flowmeter
Impeller Flowmeter
Ultrasound: Doppler
4) Sensor Level
Berbasis pengapung
Berbasis beda tekanan Tekanan cairan
sebanding dengan tinggi permukaan
h!"p #g
berbasis konduktivitas
berbasis kapasitansi
gelombang ultrasonik
5) Sensor Gaya & Torsi Gaya ! Strain Gage ! Sinyal listrik
Load Cell
omega.com
Umumnya load cell merupakan sistem orde dua teredam
6) Sensor Percepatan (akselerasi)
& Kemiringan (inklinasi)
Sensor dasar untuk akselerasi adalah sistem pegas+massa
Sinyal output: pergeseran atau strain
Sinyal output akselerometer dapat juga dalam bentuk perubahan kapasitansi
!akselerometer elektronik
Inklinometer ! mengukur arah posisi terhadap sumbu acuan
Jika sumbu acuan = gravitasi (sumbu vertikal)
!inklinometer = akselerometer
Inklinometer sederhana ! waterpass
7) Sensor Kecepatan
Pengukuran kecepatan sudut ! giroskop
Giroskop mikro ! menyensor rotasi dari efek Coriolis
Gaspard-Gustave de Coriolis (1792 – 1843)
French mathematician
Efek Coriolis
wikipedia.org
Piezoelectric velocity sensor
Linear velocity transducer
Sensor & Transduser (SFM-332)
[Sensor Resistif]
Sensor resistif
= sensor yang berdasar pada variasi resistansi listrik
[2.1] Potensiometer
Potensiometer
= device resistif dengan kontak geser linear atau rotari
simbol:
R ! " Ax !
"l
A # ! RT#
Nilai resistansi antara kontak dengan ujung bawah:
R ! " Ax !
"l
A # ! RT#
Nilai resistansi antara kontak dengan ujung bawah:
resistivitas
tampang lintang
panjang
jarak dari ujung bawah
fraksi
Potensiometer merupakan sistem orde ke-nol
R ! " Ax !
"l A #
Resitansi sebanding dengan jarak geser wiper Asumsi: resistansi seragam sepanjang l
! namun kenyataannya resistansi tidak sepenuhnya seragam
Kecocokan antara watak transfer teoritis dengan kondisi sebenarnya disebut konformitas (linearitas)
Asumsi kedua:
pergeseran kontak menghasilkan variasi resistansi yang halus
! resolusi tak hingga
Agar persamaan (2.1) valid,
ketika potensiometer dikenai tegangan bolak-balik, induktansi dan kapasitansi seharusnya
tidak signifikan Ketika potensiometer dikenai tegangan bolak-balik,
induktansi dan kapasitansi seharusnya tidak signifikan
! untuk nilai RT yang kecil, induktansi menjadi signifikan
Ketika potensiometer dikenai tegangan bolak-balik, induktansi dan kapasitansi seharusnya
tidak signifikan
! untuk nilai RT yang besar, kapasitansi menjadi signifikan
Karena resistansi dipengaruhi suhu, persamaan (2.1) hanya berlaku jika perubahan resistansi akibat suhu
bersifat seragam Akibat adanya self-heating pada potensiometer,
untuk daya sebesar P, besar tegangan maksimal Vr adalah
Vr!
"
P RTValiditas persamaan 2.1 juga dibatasi oleh gesekan dan inersia dari wiper karena menambah
beban mekanis pada sistem yang diukur
! diperlukan untuk mendapat kontak yang bagus
Noise pada kontak wiper juga membatasi resolusi, yang meningkat akibat debu, kelembapan,
Model potensiometer yang tersedia: pergeseran linear dan putaran
Potensiometer Putar
openobject.org
Potensiometer linear Impedansi output potensiometer linear akan
bergantung posisi wiper
Tegangan keluaran akan bergantung pada tegangan masukan dan posisi wiper
Pada beberapa model potensiometer, outputnya tidak linear terhadap input
! contoh: output berbentuk fungsi trigonometrik (sin/cos)
Nonlinear potentiometer
Dual potentiometer dengan joystick bergerak pada 4 arah: gerak arah x menentukan Rx dan gerak arah y menentukan Ry
Potensiometer terdiri atas:
elemen resistif wiper
batang aktuator (driving rod) bearing
housing
Konfigurasi umum untuk elemen resistif:
Kabel dililitkan pada bahan insulator
! bahan kabel: nikel-krom, nikel-tembaga, alloy logam
! induktansi tinggi, resolusi rendah, namun koefisien suhu kecil
Konfigurasi lain:
Elemen resistif berbahan dasar lapisan karbon
! resolusi tinggi, tahan lama, namun koefisien suhu tinggi
Potensiometer elektrolit
digunakan dalam pengukuran kemiringan
!tegangan output sebanding sudut kemiringan 1) tabung lengkung 2) gelembung udara
3) cairan elektrolit 4) & 5) elektroda
Force-Sensitive Resistor (FSR)
[2.2] Strain Gage
Strain Gage
! didasarkan pada variasi resistansi
dari konduktor/semikonduktor ketika dikenai tegangan mekanis
! efek piezoresistif
Tekanan mekanis
perpanjangan longitudinal
Amplitudo getaran kekisi meningkat
Mobilitas elektron mengecil
Resistivitas membesar
William Thomson / Lord Kelvin (1824 – 1907)
Fisikawan Inggris
1856:
ditemukan oleh Lord Kelvin pada konduktor
1954:
ditemukan oleh C.S. Smith pada Silikon dan Germanium
Hukum Hooke:
Rasio Poisson: Hukum Bridgman:
Konstanta Bridgman
Dari:
Diperoleh Gage Factor:
Untuk bahan semikonduktor bernilai antara 40 ~ 200
Ketika semikonduktor dikenai tekanan mekanis, selain perubahan dimensi, muncul perubahan banyaknya carrier muatan dan mobilitas reratanya
Perubahan resistivitas akibat tekanan lebih mendominasi
Besarnya efek piezoresistif bergantung pada: jenis semikonduktor,
kerapatan carrier
dan arah kekisi kristal terhadap tekanan
jika elektron mengalir sepanjang sumbu tekanan, perubahan resistivitas sebanding dengan tekanan
koefisien piezoresistif longitudinal
Semikonduktor dengan jumlah carrier sedikit memberikan gage factor yang besar,
namun sensitif terhadap suhu Semikonduktor dengan jumlah carrier banyak
memberikan gage factor yang kecil, dan kurang sensitif terhadap suhu
batasan Strain Gage:
Tekanan yang dikenakan tidak boleh melebihi batas elastisitas gage
! strain tidak boleh melebihi 4% panjang gage
Batasan Strain Gage:
Pengukuran akan valid jika seluruh tekanan ditransmisikan pada gage
! direkatkan pada bahan perekat elastis yang stabil terhadap suhu dan waktu
Suhu mempengaruhi strain gage:
! mempengaruhi resistivitas bahan, ukuran, dan modulus Young
Suhu mempengaruhi strain gage:
! menyebabkan muncul strain meskipun belum dikenai tekanan
! dikompensasi dengan dummy gage
Pengukuran resistansi strain gage memerlukan dilewatkannya arus listrik
! menyebabkan heating
!arus max 25 mA jika bahan dasarnya konduktor panas yang baik dan 5 mA jika isolator panas
Interferensi lain pada strain gage: ggl termal
! pada sambungan antar logam yang beda
!jika gage dikenai tegangan DC, sambungan logam memberi tegangan tambahan
pada tegangan akibat strain
Strain gage harus berukuran kecil agar dapat mengukur strain di sebuah titik
Ketika mengukur getaran, panjang gelombangnya harus lebih besar dari ukuran gage
Strain gage dibuat dari logam campuran atau bahan semikonduktor (Si atau Ge)
[2.3] Resistive Temperature Detector (RTD)
RTD = detektor suhu berdasar pada variasi resistansi listrik
Tipe elemen lapisan tipis Tipe elemen lilitan
Thin-film platinum thermometer
Termometer platina
! diajukan pertama kali oleh William Siemens pada 1871
! probe platina
memberikan output yang stabil dan akurat
Suhu naik
Getaran kekisi meningkat
Dispersi elektron membesar Kecepatan rerata elektron mengecil
Resistansi logam membesar
Secara matematis:
Resistansi naik ketika suhu meningkat
Hambatan saat T0
Resistansi berubah karena perubahan resistivitas dan perubahan ukuran
akibat suhu RTD bersifat sebagai sistem orde pertama
karena resistor memiliki kapasitas panas
! untuk sensor yang diberi pelindung menjadi sistem orde kedua
Kelemahan sensor RTD:
Sulit mengukur suhu di dekat suhu leleh konduktor
Self-heating akibat rangkaian pengukur harus dihindari
Kemampuan mendisipasikan panas pada konduktor diberikan oleh tetapan/faktor disipasi panas !
(heat dissipation constant/factor)
Kemampuan mendisipasikan panas pada konduktor diberikan oleh tetapan/faktor disipasi panas !
(heat dissipation constant/factor)
selisih suhu
daya disipasi
tetapan disipasi
Strain mekanis juga mempengaruhi pengukuran suhu dengan RTD karena mengubah nilai hambatan
! secara tidak sengaja terjadi pada pengukuran suhu permukaan dengan sensor yang diikat
Keunggulan RTD adalah:
sensitivitasnya tinggi,
repeatability tinggi,
stabil dan akurat dalam waktu lama (untuk platina) dan murah (untuk tembaga dan nikel)
Untuk logam sebagai probe RTD, kaitan suhu dengan hambatan adalah (dalam batas linear):
Koefisien suhu resistansi (TCR)
Koefisien suhu resistansi " dihitung
dari nilai hambatan pada dua suhu referensi
Misal antara 0° C dan 100° C:
!"disebut juga sebagai sensitivitas relatif Aplikasi thermometer platina:
Kontrol proses termal pada industri kimia
Kontrol emisi gas buang pada mobil
Kontrol panas pada oven dan heater bangunan
Pengukur suhu jalan (dipasang di bumper mobil)
Pengukur kecepatan fluida
Thermistor = thermally sensitive resistor
! resistor bergantung suhu, tidak berbahan konduktor seperti RTD
namun menggunakan semikonduktor
Didesain sebagai NTC & PTC
! NTC jika memiliki koefisien suhu negatip
! PTC jika memiliki koefisien suhu positip
Michael Faraday
(1791 – 1867)
Fisikawan Inggris
Thermistor digagas pertama kali oleh Faraday tahun 1833 Thermistor
NTC
Thermistor didasarkan pada pengaruh suhu terhadap resistansi semikonduktor
! pengaruh pada variasi banyaknya pembawa muatan dan mobilitasnya
Suhu naik
Jumlah pembawa muatan meningkat
Hambatan turun
Koefisien suhu negatif Pengaruh suhu
terhadap resistansi thermistor NTC
Untuk thermistor NTC berlaku:
Hambatan pada suhu acuan (25° C)
Suhu karakteristik
Suhu dalam Kelvin
Sensitivitas relatif untuk thermistor:
Nilai B dapat ditentukan dari hambatan
thermistor NTC pada dua suhu acuan T1 dan T2
Model matematis dengan dua parameter memberikan keakuratan hingga 0,3° C
untuk range 50° C
Model dengan tiga parameter memberi keakuratan hingga 0,01° C untuk range 100° C
Model dengan tiga parameter:
atau: Solusi untuk model dengan tiga parameter:
dengan
dan
Penerapan thermistor lainnya memanfaatkan relasi antara arus listrik dengan beda tegangan
pada thermistor
Pada arus lemah, beda tegangan berbanding lurus dengan kuat arus
Pada arus tinggi, thermistor mengalami
self-heating sehingga hambatan dan beda tegangan mengecil dengan membesarnya kuat arus
Daya listrik P akibat self-heating setara dengan
laju hilang panas (heat loss)
ditambah laju akumulasi panas
konstanta disipasi thermistor
suhu sekitar
kapasitas panas
Untuk nilai P yang tetap, suhu thermistor berubah
Untuk keadaan steady-state, derivatif terhadap suhu bernilai nol, sehingga:
maka:
Jika self-heating diabaikan, maka:
dengan solusi:
adalah konstanta waktu thermal
Pada zona self-heating, thermistor sensitif terhadap sembarang efek yang
mempengaruhi disipasi panas
! dapat digunakan untuk mengukur aliran, ketinggian permukaan (level), dan konduktivitas
panas
Jika konstanta disipasi bernilai tetap, thermistor sensitif terhadap daya masukan
! dapat digunakan untuk kontrol daya dan tegangan
Untuk silistor (tem is ) = thermistor berbasis silikon yang
di-mematuhi model matematis:
Sifat dinamis dari thermistor:
Sebagai sistem orde satu jika tanpa pelindung
Sebagai sistem orde dua jika diberi pelindung Kelemahan thermistor:
Thermistor kurang stabil dibanding RTD
! untuk menambah kestabilan, thermistor umumnya diberi pelindung gelas
Keunggulan thermistor:
Sensitivitas tinggi, sehingga untuk pengukuran suhu diperoleh sensor dengan resolusi tinggi
dan respon cepat
Ketika thermistor disambung pada rangkaian, hambatan gabungan menjadi:
dengan sensitivitas:
Dari model untuk thermistor diperoleh koefisien suhu hambatan (TCR):
Umumnya ditambahkan resistor R untuk meningkatkan linearitas pada range pengukuran Cara menentukan nilai R:
Ambil 3 titik pada kurva hambatan-suhu yang menyentuh garis lurus
Sensor & Transduser (SFM-332)
[Sensor Resistif] bagian 2
[2.6] Light-Dependent Resistor (LDR)
LDR (= photoresistor, photoconductor)
! sensor yang memanfaatkan variasi
hambatan listrik pada bahan semikonduktor ketika dikenai radiasi optis
(radiasi EM pada panjang gelombang 1 mm ~ 10 nm)
LDR dibungkus dengan plastik transparan
Photoconductivity diamati pertama pada selenium (Se) pada 1873
oleh Willoughby Smith
Konduktivitas listrik bahan dipengaruhi oleh banyaknya pembawa muatan pada pita konduksi
! energi yang diperlukan untuk memindah elektron dari pita valensi ke pita konduksi dapat diberikan oleh radiasi optis (E = hf ) Jika radiasi datang mampu mengeksitasi elektron
ke pita yang lain tanpa melewati ambang batas untuk lepas dari bahan !efek fotolistrik internal
! jika melebihi: efek fotolistrik eksternal
Kaitan antara hambatan R photoconductor
dengan iluminasi Ev bersifat nonlinear
! A dan ! bergantung pada bahan
Waktu tanggap (respon-time) LDR
bergantung pada:
bahan, tingkat iluminasi, sejarah iluminasi,
suhu sekitar
LDR juga sensitif terhadap suhu
! suhu menyebabkan eksitasi elektron-hole
LDR merespon lebih lambat pada suhu rendah
LDR umumnya berbahan CdS, PbS, PbSe
! paling banyak berbahan CdS
Penggunaan LDR:
Aplikasi kontrol ! butuh LDR dengan
gradien besar pada grafik R vs Ev
Aplikasi pengukuran ! butuh LDR dengan
gradien kecil pada grafik R vs Ev
Aplikasi kontrol:
Kontrol brightness & contrast pada TV Kontrol diafragma pada kamera
Switch lampu jalan Detektor api
etc.
Aplikasi pengukuran:
Detektor posisi dan kehadiran Detektor asap
Card reader Alarm pencuri
[2.7] Hygrometer Resistif
Kelembaban (humidity)
! banyaknya kandungan uap air pada suatu gas
Kelembapan (moisture)
! banyaknya air yang diserap oleh cairan atau bahan padat
Kelembaban mutlak = massa uap air terkandung dalam suatu volume gas
Kelembaban relatif (RH = relative humidity) = tekanan parsial uap air terhadap tekanan uap
air yang cukup untuk membuat gas tersaturasi
Insulator listrik menunjukkan penurunan resistivitas ketika kandungan airnya meningkat
! sangat tampak jika ditambahkan bahan hygroscopic seperti LiCl
Pengukuran variasi hambatan terhadap kandungan air menghasilkan hygrometer resistif
! dikembangkan pertama tahun 1938 oleh F. Dunmore
Tiga tipe dasar sensor kelembaban:
Garam (LiCl, BaF2, P2O5) Polimer konduktif Permukaan yang diolah
Kaitan antara kelembaban relatif dengan hambatan pada sensor berbahan polimer bersifat
tidak linear, dan bergantung suhu
! semakin tinggi suhu, hambatan semakin kecil
Penggunaan sensor hygrometer:
HVAC (heat, ventilation, air conditioner) Kontrol kelembaban dan dryer pada industri
kain/kertas
Monitoring kelembaban lingkungan Alat kedokteran (mesin anestesi, ventilator,
