DPL.15 Sistem Instrumentasi Pengukuran

(1)

SENSOR OPTIK

(2)

Tujuan Pembelajaran

• Menjelaskan Radiasi EM dalam hal frekuensi, panjang gelombang, kecepatan propagasi, dan spektrum

• Mendefisinikan energi dari Radiasi EM dalam hal Daya, Intensitas, dan efek divergensi

• Membandingkan tipe-tipe photo detector seperti photoconductive, photovoltaic, dan photoemissive

• Menjelaskan prinsip dan struktur radiasi total dan pyrometer optik

• Membedakan incandecent, atomic, and sumber cahaya laser berdasarkan karakteristik cahayanya

(3)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

SOURCES APPLICATION PYROMETRY

INTRO

EM RADIATION

PHOTO DETECTOR

2 3 4

1 5 6

(4)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

INTRODUCTION [2]

Sensor Optik

Indikator

(5)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(6)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Frekuensi dan Panjang Gelombang

• Radiasi EM adalah suatu energi yang selalu bergerak melintasi ruang

• Frekuensi merepresentasikan osilasi per detik ketika energi berpindah dari satu titik ke titik yang lain

• Panjang gelombang adalah jarak spasial antara dua successive maxima and minima dari gelombang

(7)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Kecepatan Radiasi

• Kecepatan Radiasi

c = λ.f

c = kecepatan radiasi di ruang hampa = 2.998 X 108 m/s

λ = panjang gelombang (m) f = frekuensi (Hz)

• Ketika melintasi ruang bukan hampa, maka

kecepatan radiasi akan berubah mengikuti nilai indeks refraksi

n = _𝑣𝑐

n = indeks refraksi

(8)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Spektrum Radiasi EM

• Pada gambar disamping, sebuah gelombang dengan frekuensi 10 GHz juga berarti memiliki panjang

gelombang 30 mm

• Satuan lain yang biasa digunakan adalah Angstrom Ӑ yang mewakil10-10 m

• Dua gelombang yang peling sering dimanfaatkan

adalah cahaya tampak (400-760 nm) dan infra merah (0,76 μm – 100 μm)

(9)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Karakteristik Cahaya

• Radiasi EM terpancarkan secara diskrit, sejumlah unit energi yang dipancarkan dalam satu frekuensi tertentu biasa disebut foton

• Jumlah energi yang terkandung dalam foton dirumuskan :

W_p = h.f = ℎ.𝑐

λ

W_p = Energi Foton (Joule)

h = konstanta planck = 6.63 X 10-34 J f = frekuensi (Hz)

(10)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Dalam dunia praktis, perhitungan energi tidak lagi dilihat bahwa radiasi EM bersifat diskrit, melainkan lebih dilihat sebagai

(11)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Daya Radiasi EM

• Karena radiasi adalah energi yang bergerak, maka deskripsi yang lebih tepat adalah energi setiap detik yang dibawa oleh foton.

(12)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Intensitas Radiasi EM

• Dalam dunia praktis, penjabaran energi yang lebih jelas lagi adalah intensitas, yakni jumlah daya yang dipancarkan pada satu area tertentu. Dirumuskan sebagai berikut :

I = 𝑃_𝐴

I = Intensitas (W/m2₎

P = Daya (Watt)

(13)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Intensitas vs Divergensi

• Divergensi adalah perubahan intensitas ketika

radiasi berpindah pada suatu garis lurus dari satu titik ke titik lainnya.

• Persebaran radiasi akan membuat nilai intensitas menurun sejalan dengan jauhnya jarak yang

ditempuh berbanding lurus dengan sudut perpindahan (θ).

• Nilai intensitas pada setiap area dengan jarak R adalah :

(14)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Untuk dapat melihat, mata manusia

membutuhkan paling tidak sejumlah 1 W/m2

(15)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Sensor yang bekerja pada area gelombang Infra merah, cahaya tampak, sampai sedikit ultraviolet biasa disebut sebagai photodetector

• Macam-macam photodetector memperhatikan karakteristik photodetector :

• photoconductive / photoresistive :

intensitas  konduktivitas semikonduktor  resistansi

• Photovoltaic

Intensitas cahaya  perubahan elektron  voltage

• Photodiode

Intensitas cahaya  arus reserve

• Phototransistor

Intensitas cahaya  arus reserve pada kaki basis

• Photo emissive

(16)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(17)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Prinsip Kerja :

intensitas cahaya  konduktivitas semikonduktor  resistansi

• Ketika sebuah semikondukor PhotoConductive menerima photon, maka elektron valensi akan berpindah pada pita konduksi yang berakibat menurunkan nilai resistansi semikonduktor. Sehingga dapat dikatakan bahwa nilai resistansi berbanding terbalik dengan intensitas cahaya yang masuk pada PhotoConductive. Untuk dapat melakukan eksitasi, sebuah photon harus memiliki minimal energi yang setara dengan gap energi pada semikonduktor tersebut.

Dirumuskan :

E_c = _λℎ.𝑐

𝑚𝑎𝑥

= ΔW_g

(18)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Struktur Cell PhotoConductive

• Untuk menghindari nilai tahanan yang terlalu tinggi, seperti dirumuskan :

R = ρ. 𝑙_𝐴

R = nilai resistansi

ρ = resistivitas l = panjang cell

A = luasan permukaan cell

(19)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Karakteristik Cell PhotoConductive

• Nilai resistansi ternyata bersifat tidak linier terhadap nilai intensitas cahaya. Sehingga tidak semua semikonduktor cocok menjadi pilihan dalam

implementasi di lapangan.

• Tabel dibawah ini adalah beberapa tipe semikonduktor yang sering digunakan di lapangan berikut dengan nilai karakteristiknya

(20)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(21)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Photovoltaic secara fisik berupa kumpulan dioda-pn, umumnya bagian atas adalah layer positif dan

bagian bawah adalah layer negatif

• Cara kerjanya :

photon menabrak layer positif dan diserap oleh elektron pada layer negatif. Hal ini akan

menyebabkan adanya elektron bebas sehingga dengan menambahkan bahan konduktif dibawah layer negatif maka akan dihasilkan tegangan.

(22)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(23)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(24)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Terbuat dari bahan yang sama dengan photovoltaic, berupa dioda pn junction

• Cara kerja :

perubahan intensitas cahaya akan menyebabkan perubahan besaran arus reserve

• Photodiode memiliki keunggulan response time yang sangat cepat (nano sekon) dan secara fisik sangat kecil sehingga sering ditambahkan casing untuk

memfokuskan cahaya pada pn junction

(25)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Merupakan pengembangan photodiode dengan arus dimasukkan pada collector-base junction

untuk menghasilkan arus yang diamplifikasi pada collector-emitter junction

• Tidak secepat photodiode namun masih bisa dikatakan memiliki response time sangat cepat (dalam mili sekon)

(26)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Dikembangkan sejak lama dan merupakan salah satu detektor paling sensitif

• Secara fisik terdiri dari sebuah tabung kaca yang didalamnya ada katoda yang dilapisi dengan

photoemissive, dan anoda yang digroundkan pada sebuah kabel

• Prinsip kerjanya :

(27)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Photoemissive Ganda

• Sebuah tabung yang terdiri dari katoda dengan tegangan negatif yang relatif tinggi, beberapa

dinoda dengan tingkat tegangan yang berbeda-beda dimana semakin menuju anoda semakin negatif.

(28)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Pyrometry

• Pyrometry merupakan sebuah metode untuk pengukuran temperatur

• Metode yang digunakan yaitu menggunakan radiasi EM yang dipancarkan oleh objek yang akan diukur temperaturnya

(29)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

• Merupakan sebuah alat non-kontak yang mampu mengukur temperatur sebuah objek dimana emisi puncak radiasi berada pada bagian merah dari

spectrum cahaya tampak

(30)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Radiasi Thermal

[1]

• radiasi EM dihasilkan oleh percepatan muatan listrik

• penambahan energi thermal pada suatu objek akan menghasilkan gerak getar dari molekul objek

• objek dengan energi thermal tertentu

(31)

Radiasi Thermal

[2]

Infrared UV

Radiasi Total

𝐸 𝛼 𝑇4

E = emisi radiasi dalam J/s per unit area atau 𝑊/𝑚2

(32)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Klasifikasi Pyrometer

Pyrometer

Broadband

Pyrometers

(33)

Broadband Pyrometers

[1]

• Standar jangkauan sekitar 32 to 1832°F (0 to 1000°C)

(34)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Broadband Pyrometers

[2]

A sailor checking the temperature of a ventilation system

Infrared Pyrometer

 Rentang spektrum infra red dari 0.22µm sampai 17µm dan biasanya yang digunakan dalam rentang 2 sampai 7µm.

 Biasanya dapat digenggam, berbentuk seperti pistol yang diarahkan ke sebuah objek kemudian temperatur dari

(35)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Broadband Pyrometers

[3]

Aplikasi IR pyrometer

(36)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Broadband Pyrometers

[4]

Aplikasi IR pyrometer

(37)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Narrowband Pyrometers

[1]

• Bergantung pada variasi dalam emisi energi radiasi monochromatic dengan temperatur.

• Biasa di sebut juga optical pyrometer

• Jangkauan 500K – 3000K

(38)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(39)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(40)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

Sumber Optik

Sumber

Optik

Sumber Cahaya Konvensional

Sumber Cahaya Lampu Pijar

Sumber Cahaya Atomic

(41)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Sumber Cahaya Konvensional

[1]

(42)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Sumber Cahaya Konvensional

[2]

• Sumber Cahaya Atom

Aplikasi :

(43)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Sumber Cahaya Konvensional

[3]

(44)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(45)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Sumber Cahaya Konvensional

[5]

(46)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Sumber Cahaya Konvensional

[6]

(47)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

(48)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

LASER

[2]

(49)

TUTUP HOME

CREDIT

OPTICAL

INTRO

EM RADIATION

2 3 4

1 5 6

Penerapan

(50)

Aplikasi

(51)

Pengukuran Jarak

• Pengukuran Jarak

Jarak dapat diukur dengan mengukur waktu memancarnya light pulse yang tersebar dari sebuah objek yang jauh.

𝐷 = 𝑐𝑇₂

D = jarak ke objek (m)

c = kecepatan cahaya (m/s)

(52)

DPL.15 Sistem Instrumentasi Pengukuran

SENSOR OPTIK

Tujuan Pembelajaran

INTRODUCTION [2]

Frekuensi dan Panjang Gelombang

Kecepatan Radiasi

Spektrum Radiasi EM

Karakteristik Cahaya

Daya Radiasi EM

Intensitas Radiasi EM

Intensitas vs Divergensi

Struktur Cell PhotoConductive

Karakteristik Cell PhotoConductive

Photoemissive Ganda

Pyrometry

Radiasi Thermal

Radiasi Thermal

Klasifikasi Pyrometer

Pyrometer

Broadband

Pyrometers

Broadband Pyrometers

Broadband Pyrometers

Broadband Pyrometers

Broadband Pyrometers

Narrowband Pyrometers

Sumber Optik

Sumber

Optik

Sumber Cahaya Konvensional

Sumber Cahaya Konvensional

Sumber Cahaya Konvensional

Sumber Cahaya Konvensional

Sumber Cahaya Konvensional

LASER

Penerapan

Aplikasi

Pengukuran Jarak

SEKIAN