Dalam sistem instrumen terdapat bagian-bagian yang mempunyai prinsip kerja yang berlawanan dengan sensor yang disebut aktuator, yaitu alat yang mengubah sinyal listrik menjadi besaran fisis lainnya. Transduser merupakan gabungan sensor dan aktuator yang mempunyai prinsip kerja dua arah, yaitu elemen yang satu mampu mengubah besaran fisis menjadi sinyal listrik dan sebaliknya sinyal listrik menjadi besaran fisis lainnya.
Parameter Kinerja Sensor
Rentang atau rentang dinamis biasanya ditentukan oleh pemasok sensor sebagai rentang karakteristik kinerja sensor yang dijelaskan pada lembar data. Lembar data sensor biasanya dalam satuan sinyal/root (Hz) atau menggambarkan sinyal minimum yang dapat dideteksi untuk pengukuran tertentu.
Keterbatasan dalam pengukuran resistansi Resistansi konduktor
Keterbatasan Sensor
Semua sensor memiliki waktu respons terbatas terhadap perubahan cepat pada sinyal fisik yang diukur. Selain itu, banyak sensor memiliki waktu peluruhan yang lambat dan terjadi setelah perubahan sinyal fisik.
Keterbatasan untuk pengukuran kapasitansi
- Rangkaian Resistansi Sensor
- Rangkaian Pengukuran Kapasistansi
- Pengukuran Induktansi pada Rangkaian
- Penguat Operasional
- Penguat Instrumen
- Konsep Akuisisi Data Sensor
- Arsitektur Akuisisi Data Sensor
- Interface Card Komputer menggunakan Mikrokontroler
Rangkaian Jembatan Wheatstone merupakan rangkaian pembagi tegangan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3 dan dipadukan dengan pembagi tegangan kedua yang terdiri dari resistor tetap. Pada Gambar 3.5 terlihat system board Arduino Due memiliki dua jenis port USB, yaitu port serial USB asli (yang akan terdeteksi sebagai COM di komputer) dan port serial pemrograman.
Program Komputer Arduino IDE (Integrated Development Environment)
Analog to Digital Converter (ADC)
Bab ini menjelaskan konsep konversi data analog ke digital menggunakan perangkat analog to digital converter (ADC). Proses pengubahan data analog ke digital mempunyai beberapa metode antara lain ADC pendekatan berturut-turut, ADC tegangan ke frekuensi, integrasi ADC, dan ADC Sigma-delta. Konverter pendekatan berturut-turut adalah konverter data analog ke digital yang terdiri dari konverter digital ke analog (DAC), komparator, register, dan pengontrol logika.
Integrasi ADC mengubah sinyal analog menjadi digital dengan parameter waktu pengisian dan pengosongan kapasitor untuk menentukan tegangan masukan.
Pemrograman ADC pada Arduino Due
Program ini dapat digunakan untuk membaca data analog dari tegangan yang dimasukkan pada input ADC0 (pin A0) atau ADC1 (pin A1) dengan menggunakan komponen potensiometer (variable resistor). Untuk menguji ADC, Anda dapat mengukur tegangan input pada pin input analog (A0 dan A1) dengan multitester. Resolusi ADC dapat ditentukan dengan menggambar garis linier antara tegangan masukan (sumbu y) dan berat ADC (sumbu x), nilai resolusi adalah kemiringan (gradien) garis tersebut.
Sensor Suhu Semikonduktor LM35
Sensor semikonduktor LM35 merupakan salah satu contoh sensor suhu yang menggunakan prinsip kerja karakteristik sambungan p-n bahan semikonduktor. Prinsip kerja sensor suhu LM35 adalah mendeteksi suhu pada IC LM35 atau permukaan aktif sensor LM35 yang sensitif terhadap suhu. Rangkaian sensor suhu LM35 terhubung ke ADC0 pada board sistem AT91SAM3X8E dan berinteraksi dengan komputer.
Secara eksperimental dapat dibuktikan bahwa keluaran sensor suhu LM35 mempunyai karakteristik linier dan celcius (skala Celcius) dengan perbandingan 10 mV per 1 oC.
Sensor Suhu Termistor
Keluaran rangkaian pembagi tegangan ditutup dengan rangkaian pengikut tegangan dengan menggunakan op-amp LM358 sehingga diperoleh arus yang besar pada tegangan tetap. Serangkaian sensor NTC dikonfigurasi sebagai pembagi tegangan dan dihubungkan ke ADC0 dari board sistem AT91SAM3X8E untuk berinteraksi dengan komputer. Misalnya PROGRAM 005 untuk menerima data di ADC0 dengan menggunakan beberapa teknik pengalamatan, dimana data pengukuran akan ditampilkan jika ada permintaan dari komputer sesuai dengan kode alamat yang diberikan.
Dari hasil perolehan data dapat dilakukan karakterisasi menggunakan curve fitting dan back transform untuk memperoleh hasil pengukuran suhu.
Sensor Suhu Resistance Thermal Detector (RTD)
Pemancar merupakan salah satu contoh pengkondisian sinyal yang digunakan untuk mengubah nilai resistansi pada elemen penginderaan sensor menjadi sinyal tegangan yang dapat dibaca oleh ADC mikrokontroler.
Modul Sensor Suhu dan Kelembapan SHT11
Protokol yang digunakan pada sensor suhu SHT11 adalah Two Wire Interface TWI (TWI) yang merupakan protokol komunikasi serial yang melibatkan dua kabel yang disebut SDA (serial data) dan SCL (serial clock). Spesifikasi lain yang dimiliki TWI adalah lebih fleksibel karena memiliki mode master dan slave, alamat pada slave mencapai 7-bit, dan kecepatan transfer data mencapai 400 KHz. Sinyal ACK merupakan kondisi ketika slave menurunkan SDA pada siklus SCL ke-9, sedangkan tidak diakui (NACK) merupakan kondisi ketika slave tidak menurunkan SDA pada siklus ke-9.
Selain itu, kondisi STOP merupakan kondisi ketika unit master telah menyelesaikan transfer data yang ditandai dengan meningkatnya SDA pada saat SCL berada pada kondisi high.
Konsep Tekanan
Berdasarkan konsep tekanan, berbagai ilmuwan dapat menjelaskan bahwa jika suatu zat cair diberi tekanan, maka zat cair tersebut dapat berubah menjadi gas dan sebaliknya. Dalam zat cair yang diam, tekanan dapat didefinisikan sebagai gaya F yang dikerjakan tegak lurus pada bidang dengan luas permukaan A seperti ditunjukkan pada persamaan (6.1). Jika tekanan diterapkan pada suatu permukaan dalam bentuk cairan atau gas, tekanan tersebut disebarkan melalui permukaan material tanpa mengurangi nilainya.
Seperti kita ketahui, teori kinetik gas menyatakan bahwa tekanan dinyatakan sebagai ukuran energi kinetik total molekul atau ditunjukkan pada persamaan (6.3).
Sensor Tekanan
Dari rumus tersebut terlihat bahwa nilai kapasitansi sensor berkorelasi dengan jarak pelat, dan jarak pelat berkorelasi dengan tekanan yang masuk ke lubang sensor. Oleh karena itu keluaran rangkaian ini berupa tegangan yang dikorelasikan dengan tekanan yang masuk ke lubang sensor. Output dari sensor mempunyai level tegangan DC sebesar 0,5 volt sampai dengan 4,5 volt sehingga telah mencapai level tegangan input yang dibutuhkan oleh ADC mikrokontroler Arduno DUE.
Seperti rangkaian sensor keluaran tegangan pada umumnya, untuk mendapatkan data keluaran sensor tekanan memerlukan pemrograman mikrokontroler ADC.
Konsep Kecepatan Aliran
Fluida yang mengalir melalui suatu pipa mempunyai kecepatan yang berbeda-beda di berbagai titik dalam pipa. Pada persamaan ini, V adalah volume fluida, v adalah kecepatan medium yang bergerak, A adalah luas permukaan medium yang dilalui, dan ∆x adalah perpindahan volume. Dengan pengukuran kecepatan elektronik menggunakan sensor, dimensi yang akan diukur mungkin lebih kecil dari ukuran pipa sehingga menyebabkan pengukuran menjadi terlalu cepat atau terlalu lambat.
Efek Hall dan Sensor Kuat Medan Magnet
Muatan yang terpolarisasi pada salah satu sisi penghantar akan menimbulkan medan listrik atau Hall Field yang mengimbangi Gaya Lorentz (dialami oleh pembawa muatan). Dalam persamaan ini, VH adalah tegangan pada lebar pelat, I adalah arus sepanjang pelat, B adalah medan magnet, d adalah tebal pelat, e adalah muatan elektron, dan n adalah kerapatan elektron. .
Sensor Kecepatan Aliran Fluida pada Pipa
Contoh sensor laju aliran fluida adalah jenis semikonduktor yang dikonfigurasi menggunakan heliks magnetik yang berputar ketika terkena torsi aliran. Frekuensi putaran bilah rotor berhubungan dengan laju aliran cairan atau gas yang menggerakkan rotor. Ketika heliks magnet mendekati sensor, maka akan dihasilkan pulsa listrik pada keluaran sensor Hall Effect.
Sensor laju aliran zat cair dengan efek Hall mempunyai keluaran berupa pulsa listrik yang besarnya sesuai dengan jumlah putaran baling-baling sensor.
Akuisisi Data Sensor Aliran Fluida
Dimana Rs adalah jari-jari putaran baling-baling sensor dan f adalah frekuensi putaran yang dapat dihitung dari sensor menggunakan mikrokontroler. Nilai Rp (jari-jari pipa) dan Rs (radius baling-baling sensor) dapat ditentukan melalui pengukuran menggunakan jangka sorong atau dengan melihat teknis sensor atau data sheet. Mikrokontroler diprogram untuk menghitung frekuensi putaran sensor sehingga keluaran sensor dihubungkan ke pin 43 yang digunakan untuk menghitung masukan.
Rangkaian sensor aliran fluida Hall Effect dihubungkan ke pin 43 board sistem Arduino Due untuk menghitung frekuensi.
Konsep pH
Prinsip Sensor pH
Ada dua bagian penting dalam pengkondisian sinyal, yang pertama adalah pengatur sumber tegangan yang berfungsi mensuplai elektroda kaca. Tegangan suplai elektroda kaca harus stabil dan tidak berubah meskipun tegangan suplai rangkaian berubah.
Akuisisi Data Sensor pH
Sensor Cahaya Light Dependent Resistor (LDR)
Sensor Cahaya Foto Dioda
Ketika tingkat energi pada pita konduksi menurun, elektron kembali bergabung kembali pada pita valensi, seperti pada Gambar 9.3b. Besarnya arus listrik yang dihasilkan pada efek fotolistrik ini sebanding dengan intensitas foton cahaya yang mengenai fotodioda. Sensor cahaya fotodioda OPT101 memiliki karakteristik tegangan linier yang meningkat seiring dengan intensitas cahaya yang diterima.
Dari gambar tersebut terlihat bahwa sensor dapat langsung digunakan tanpa adanya rangkaian pendukung resistor dan kapasitor dengan sambungan pin 4 dan pin 5.
Akuisisi Data Sensor Cahaya LDR dan Foto Dioda OPT101
Karakteristik sensor LDR dapat diperoleh dengan mengukur intensitas cahaya menggunakan lux meter standar terhadap nilai ADC yang diperoleh.
Modul Sensor Cahaya Terintegrasi BH1750
Prosedur umum ketika master mengakses slave dijelaskan sebagai berikut: misalnya master mengirimkan data ke slave, kemudian master transmitter mengirimkan kondisi START dan memberikan alamat ke slave penerima. Kemudian master transmitter mengirimkan data ke penerima slave dan mengakhiri transmisi dengan kondisi STOP. Ketika master menerima atau membaca dari slave, penerima pada master mengirimkan kondisi START dan meneruskan alamat ke pemancar slave.
Kemudian penerima master menerima data dari pemancar budak dan mengakhiri transmisi dengan keadaan STOP.
Gelombang Ultrasonik
Kristal ini dapat menghasilkan gelombang dengan mengubah osilasi listrik menjadi gelombang ultrasonik dan sebaliknya dengan mengubah gelombang ultrasonik menjadi sinyal listrik. Gaya tersebut menyebabkan terjadinya perubahan susunan elektron bermuatan seperti terlihat pada Gambar 10.2b sehingga kedua permukaan mempunyai potensial listrik yang nilainya sebanding dengan gaya Fx. Polaritas potensial listrik yang dihasilkan kristal piezoelektrik berubah ketika terjadi relaksasi seperti terlihat pada Gambar 10.2c.
Ketika terjadi perubahan potensial listrik positif ke negatif atau sebaliknya, kristal piezoelektrik mengalami deformasi sehingga menimbulkan getaran.
Sensor Jarak Ultrasonik
Transduser ultrasonik yang digunakan untuk pengukuran jarak mengandung dua elemen kristal piezoelektrik, yaitu pemancar (Tx) yang berfungsi menghasilkan gelombang ultrasonik dan penerima (Rx) yang digunakan untuk menerima gelombang ultrasonik setelah melewati benda di depannya yang dipantulkan. Diperlukan mikroprosesor/mikrokontroler untuk menghitung time-of-flight (tof), yaitu waktu gelombang dikirimkan oleh pemancar hingga diterima oleh penerima. Dimana adalah konstanta Laplace, R adalah konstanta universal gas (udara), m adalah massa molar gas (udara) dan T adalah suhu lingkungan udara yang dilalui gelombang ultrasonik.
Sensor jarak ultrasonik untuk media udara dijual dalam bentuk modul yang terintegrasi antara transmitter, receiver, generator oscillator dan pengkondisi sinyal.
Sistem Akusisi Data Sensor Jarak Ultrasonik
Oleh karena itu, keakuratan sistem pengukuran ini akan dipengaruhi oleh suhu media pengukuran yang dilaluinya.
DAFTAR PUSTAKA
Indeks
