SENSOR DAN TRANSDUCER. Oleh: Muh. Sainal Abidin

SENSOR DAN TRANSDUCER

Oleh:

Muh. Sainal Abidin

Garis-garis besar mata kuliah:

1. Konsep dan definisi sensor dan transduser 2. Jenis-jenis sensor dan transduser

3. Prinsip kerja dan fungsi sensor dan transduser

4. Aplikasi sensor dan transduser dalam peralatan kesehatan

Sensor

➢ Tekanan

➢ Cahaya

➢ Temperatur

➢ Elektrik

➢ Magnetik

➢ Dan berbagai tipe energi

Transduser

Energi Energi

Sensor + Transduser

Transduser

Sensor

Transduser merupakan suatu device yang dapat mengubah suatu betuk

energy/besaran fisis ke dalam besaran listrik

Jenis-jenis dari sinyal listrik adalah tegangan, arus, resistansi, frekuensi, kapasitansi, dan induktansi.

Jenis sumber energi

Jenis dari sensor atau transduser yang menghasilkan tegangan atau

arus

Jenis dari sensor atau transduser yang menhasilkan perubahan

resistansi atau impendansi

Gerakan Generator Linear potensiometer

Cahaya Solar cell, photovoltaic Cds cell

Kekuatan (tekanan) Piezoelektrik Strain gauge

Temperature Temocouple Resistive temperature detector

(RTD) thermistor Magnetik Transformer hall effects Magnetoresistive Chemical Batteries, fuel cell Different concentration

Syarat-syarat sensor:

1. Linieritas

Konversi harus benar-benar proposional, jadi karakteristik konversi

harus linier.

2. Tidak tergantung temperature

Keluaran konverter tidak boleh tergantung pada temperatur di sekelilingnya, kecuali sensor suhu.

3. Kepekaan

Kepekaan sensor harus dipilih sedemikian, sehingga pada nilai-nilai

masukan yang ada dapat diperoleh tegangan listrik keluaran yang

cukup besar.

4. Waktu tanggapan

Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan keluaran sensor

untuk mencapai nilai akhirnya pada nilai masukan yang berubah

secara mendadak. Sensor harus dapat berubah cepat bila nilai

masukan pada sistem tempat sensor tersebut berubah.

5. Batas frekuensi terendah dan tertinggi

Batas-batas tersebut adalah nilai frekuensi masukan periodik terendah dan

tertinggi yang masih dapat dikonversi oleh sensor secara benar. Pada

kebanyakan aplikasi disyaratkan bahwa frekuensi terendah adalah 0Hz.

6. Stabilitas waktu

Untuk nilai masukan (input) tertentu sensor harus dapat memberikan keluaran (output) yang tetap nilainya dalam waktu yang lama.

7. Histerisis

Gejala histerisis yang ada pada magnetisasi besi dapat pula dijumpai pada

sensor. Misalnya, pada suatu temperatur tertentu sebuah sensor dapat

memberikan keluaran yang berlainan.

Jenis sensor secara garis besar bisa dibagi menjadi 2 jenis yaitu : 1. Sensor fisika

2. Sensor Kimia

Sensor fisika adalah sensor yang mendeteksi suatu besaran berdasarkan hukum-hukum fisika. Yang termasuk kedalam jenis sensor fisika yaitu :

- Sensor cahaya - Sensor suara - Sensor suhu - Sensor gaya

- Sensor percepatan

Sensor kimia adalah sensor yang mendeteksi jumlah suatu zat kimia dengan cara mengubah besaran kimi menjadi besaran listrik. Biasanya ini melibatkan beberapa reaksi kimia. Yang termasuk kedalam jenis sensor kimia yaitu :

- Sensor PH - Sensor Gas

- Sensor oksigen

- Sensor Ledakan

SENSOR TEMPERATUR

Persamaan untuk mengkonversi dari Celcius ke Fahrenheit adalah:

Persamaan untuk mengkonversi dari Fahrenheit ke Celcius adalah:

(

⁰

)

5 32

C = 9 F −

( )

0

9

0

5 32

F = C +

TheRmocouple

Thermocouple adalah sensor temperature yang menghasilkan sinyal kecil dalam millivolt dengan rentan antara 10 dan 80 mV. Thermocouple terbuat dari persambungan dua metal yang tidak sama yang masing-masing salah satu ujungnya terhubung.

Jenis-jenis Thermocouple

Thermistor

Thermistor adalah resistor yang sensitive terhadap temperature seperti halnya RTD. Perbedaan utama antara thermistor dan RTD adalah thermistor biasanya mempunyai koefisien negative terhadap temperature dan thermistor menunjukkan perubahan resistansi yang besar untuk setiap perubahan derajat temperature.

Integrated Circuit (IC) Solid State Temperature Sensors

Sensor IC sangat kecil dan berbentuk seperti transistor, yang

memungkinkan mereka untuk dipasang pada papan rangkaian dan

rangkaian elektronika lainnya.

Perbandingan dari sensor temperature

SENSOR TEKANAN

Parameter tekanan

Istilah ini sangan penting untuk dipahami saat mendiskusikan tentang tekanan sebelum kita memahami teori operasi dari sensor yang berbeda. Tekanan didefenisikan sebagai jumlah gaya yang bekerja pada suatu permukaan kita dapat merumuskannya dalam persamaan matematika sebagai berikut

P F

= A

Strain Gauge

Strain gauge terdiri dari kisi kabel yang halus yang terikat pada suatu permukaan. Ketika permukaan tersebut diletakkan pada tekanan yang berubah, resistansi dari kawat tersebut akan berubah.

Load Cells

Sering kali strain gauge tunggal tidak mudah untuk digunakan karena akan menghasilkan data yang tidak lengkap karena adanya kerugian yang dihasilkan. Load cells adalah sensor yang menggunakan strain gauge pada pola yang spesifik untuk menghasilkan nilai data yang lengkap dari perubahan tekanan atau berat.

Sensor Tekanan Piezoelectrik

Kata piezoelektrik berasal dari bahasa yunani piezo atau piezein yang berarti memeras atau tekan, dan elektrik yang berarti listrik atau electron. Kata yang piezoelektrik berarti listrik yang dihasilkan dari tekanan. Sumber muatan listrik piezoelektrik merupakan akibat dari efek piezoelektrik.

SENSOR ALIRAN

Venturi Flow Meter

(

1 2

)

2 1

2

2

1 P P

Q

A

 A

= −

    −  

   

 

berdasarkan prinsip kontinuitas, dimana jumlah fluida yang masuk sama dengan jumlah fluida yang keluar, dapat kita tuliskan bahwa :

V1 . A1 = V2 . A2

SENSOR DENSITY DAN VISICOSITAS

Persamaan untuk menghitung density adalah:

m

 = v

Dengan m adalah massa cairan dan v adalah volume.

Sensor density cairan

Ketika cairan di panaskan, density cairan meningkat, cairan akan menebal dan pelampung akan naik sedikit. Perubahan jarak pergerakan pelampung, akan diukur oleh sensor posisi yang disebut dengan linear variable differential transformer (LVDT).

Sebuah RTD digunakan untuk mengukur

temperature dari produk yang akan dihitung

densitynya secara konstan.

Sensor Viskositas

Viskosositas mirip dengan density, dimana viskositas akan berubah terhadap

perubahan temperature. Sebagai contoh, kita mungkin sudah tidak asing

dengan oli motor. Ketika oli motor panas, oli akan mengalir seprti air, dan

ketika temperaturnya dingin, maka oli motor akan mengental.

LEVEL SENSOR

Point-Contact Level Sensor

Cara yang paling sederhana dalam penyensor level cairan adalah dengan menggunakan pelampung yang diberi gagang. Pembacaan dapat dilakukan dengan memasang sensor posisi misalnya potensiometer pada bagian engsel gagang pelampung. Cara ini cukup baik diterapkan untuk tanki-tanki air yang tidak tinggi.

SENSOR POSISI

Gerakan linear dan berputar banyak diggunkan sebagai sensor untuk mendeteksi tekanan, aliran, level, dan temperature. Bagian ini akan menjelaskan operasi dari linearitas dan putaran dari potensiometer.

Linear Potensiometer

Potensiometer Putar

Prinsip operasi dari potesiometer linear dan putar adalah sama. Perbedaan utamanya adalah pada tangkai dari potensio putar yang mengubah pergerakan putaran menjadi perubahan resistansi.

Linear Variable Differential Transformer (LVTD)

Linear variable differential transformer (LVDT) adalah sensor posisi yang menggunakan gulungan primer transformer dan dua gulungan sekunder yang identik.

Gulungan tersebut memiliki celah untuk mengerakkan inti.

Sensor Efek hall

Sensor efek hall adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi medan magnet. Hasil keluaran dari sensor efek hall ini akan menghasilkan sebuah tegangan yang proporsional dengan kekuatan medan magnet yang dideteksi oleh sensor efek hall.

SENSOR GERAK Acceletometer

Defininasi dari Accelerometer adalah perubahan velocity, dan kecepatan ini didefinisikan sebagai perubahan posisi. Volcity juga disebut sebagai kecepatan, jadi definisi dari percepatan adalah perubahan dari kecepatan. Accelerometer adalah sensor yang digunakan untuk mengukur percepatan suatu objek.

pH SENSOR

pH adalah derajat keasaman yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh suatu larutan. Ia didefinisikan sebagai kologaritma aktivitas ion hidrogen (H+) yang terlarut.

SENSOR KELEMBABAN

Sensor kelembaban adalah suatu alat ukur yang digunakan untuk membantu dalam proses pengukuran atau pendifinisian yang suatu kelembaban uap air yang terkandung dalam udara.

Ada dua Jenis kelembaban, yaitu: Kelembaban absolut adalah bilangan yang menunjukkan berapa gram uap air yang tertampung dalam satu meter kubik udara dan Kelembaban relative adalah bilangan yang menunjukkan berapa persen perbandingan antara uap air yang ada dalam udara saat pengukuran dan jumlah uap air maksimum yang dapat ditampung oleh udara tersebut. Salah satu contoh sensor kelembaban adalah Capacitive Sensors (Sensor Kapasitif).

DETEKTOR GAS

Sensor gas adalah sensor yang befungsi untuk mengukur senyawa gas polutan yang ada di udara, seperti karbonmonoksida, hidrokarbon, nitrooksida, dan lain-lain.

Pembuatan Sensor

Pengukuran temperature ruangan pasien di rumah sakit Sensor temperature:

1. Thermocouple 2. Thermistor

3. Lm35

Range temperature ruangan: 25-40 ⁰ C

Thermistor Hambatan/resistansi (Ω)

Langkah pembuatan sensor:

1. Tentukan besaran yang akan diukur

2. Cari jenis sensor yang dapat mengukur besaran tersebut

3. Tentukan skala/pengkuran yang diinginkan dan pilih sensor yang yang sesuai

4. Identifikasi besaran listrik yan dihasilkan sensor terhadapat besaran yang diukur

5. Konversi keluaran sensor ke dalam besaran tegangan jika besarnya belum dalam tegangan

6. Lakukan pengolahan tegangan agar dapat terukur dengan baik

Penggunaan Thermistor Sebagai Sensor Temperatur

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

R (Ω)

Temperatur (⁰C)

Grafik karakterisasi thermistor 10k

2 T

O

T

V R xVcc

R R

= +

Agar tegangan dari sensor dapat diolah secara. Maka tegangan tersebut harus cukup

besar agar dapat terukur dengan baik. Jika teganga dari sensor kecil, maka digunakan

rangkaian penguat.

APLIKASI SENSOR PADA ALAT KESEHATAN Spektroskopi

Spektroskopi merupakan suatu metode mengukuran yang memanfaatkan interkasi

suatu spektrum cahaya dengan materi.

0 0

% 100%

t t

I I

T atau T

I I

= = 

Blok diagram spektrofotometer

Photoplethysmography (PPG)

Photoplethysmography (PPG) adalah suatu teknik optik pendeteksi

gelombang pulsa kardiovaskuler dari organ tubuh manusia.

Fotodetektor IR

Pengukuran yang menggunakan system PPG akan menghasilkan

frekuensi keluaran pada rentang 0,05-20 Hz.

Warna

Tegangan (volt)

@ 20mA

Panjang Gelombang

(nm)

Pencahayaan (nm)

Putih 3,2-3,4 14000-16000

Merah 1,8-2 615-625 4000-5000 Kuning 1,8-2 587-595 4000-5000

Hijau 3,2-3,4 515-520 12000-14000 Biru 3,2-3,4 460-465 5000-6000 Infra

merah 1,6 618-926

( V

s

V

d

)

R I

= −

Fotodetektor

Light dependent resisior (LDR) Photodioda

Sensor PPG

Filer Lolos Tinggi I

Filer Lolos Rendah I

Penguat Operasional Non-Inverting I

Filer Lolos Tinggi II

Filer Lolos Rendah II Penguat Operasional

Non-Inverting II Rangkaian Buffer

Non-Inverting

Filter Lolos Tinggi Pasif Pertama

Filter Lolos Rendah Aktif Pertama

1 2

1

2 47 4, 7 0, 7

f

c

RC

k F

Hz



 

=

=   

=

Filter Lolos Tinggi Pasif Kedua

Filter Lolos Rendah Aktif Kedua

Rangkaian Buffer Non-Inverting

1 2

1

2 6,8 100 2, 43

f

c

RC

k nF

Hz





=

=  

=

2 2

1 1 680

6,8 101

G R

R k k

 

= +  

 

  

= +     

=

Sensor ultrasonic untuk pengukuran tinggi badan

> 20 kHz

Benda

TxRx

Gelombang datang

Gelombang pantul

2 s = v t 

Dimana:

s : Jarak (m)

v : Kecepatan rambat gelombang ultrasonik di udara (340 m/s) t : Waktu rambat gelombang ultrasonik (detik)

v s

= t

QUiZ !!!

1. Jelaskan pengertian dari sensor

2. Sebutkan jenis-jenis dari sensor berdasarkan jenis input dan output yang dihasilkan

3. Sebutkan syarat-syarat suatu benda dapat digunakan sebagai sensor

4. Gambarkan kurva karakteristik dari suatu thermistor jika memiliki data sebagai berikut: Temperatur (

⁰

C) Hambatan (Ω)

0 3

3 6

6 9

9 12

12 15

15 18

5. Uraikan proses kerja dari sensor photopeletisimograf dalam pengkuran detak

jantung