Modul Praktikum Sensor Dan Transduser 2013s [PDF]

Citation preview

PEDOMAN PRAKTIKUM SENSOR DAN TRANSDUSER



∆X



Diafragma atau aktuator



L1



Vo



L2 L3 Core



LABORATORIUM FISIKA LANJUT DEPARTEMEN FISIKA INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2012/2013



KATA PENGANTAR Sensor dan transduser merupakan komponen penting pada suatu sistem pengukuran. Sensor dan transduser merupakan garda terdepan dari sebuah instrumen pengukuran. Transduser adalah piranti yang mengkonversi sebuah sinyal dari salah satu bentuk fisika menjadi sebuah sinyal bersesuaian yang memiliki bentuk fisika berbeda, dengan kata lain transduser adalah konverter atau modifier energi. Sedangkan sensor adalah piranti yang menerima dan merespon sinyal atau stimuli atau measurand. Buku pedoman praktikum ini berisi beberapa topik percobaan sensor. Buku ini mencakup teori singkat tentang prinsip dan rangkaian sensor yang sangat membantu praktikan dalam melaksanakan praktikum. Buku ini masih memiliki kekurangan, oleh karena itu koreksi dan saran dari pembaca sangat diharapkan untuk perbaikan isi buku ini. Atas saran dan koreksi dari pembaca kami mengucapkan terima kasih.



Bogor, September 2013



Tim Pengajar MK Sensor dan Transduser



2



TOPIK PRAKTIKUM 1.



SENSOR POSISI & PERPINDAHAN................................................................. 4



2.



STRAIN-GAGE .................................................................................................. 6



3.



SENSOR SUHU ................................................................................................ 8



4.



SENSOR CAHAYA .......................................................................................... 15



5.



SENSOR GETARAN DAN PERCEPATAN ...................................................... 22



6.



ANALOG-TO-DIGITAL (A/D) CONVERTER (DATA SENSOR SUHU) ............ 29



7.



SENSOR TEKANAN ........................................................................................ 33



8.



SENSOR GAS ................................................................................................. 37



9.



SENSOR MEDAN MAGNET ........................................................................... 42



10.



SENSOR KELEMBABAN ................................................................................ 44



3



PRAKTIKUM 1 SENSOR POSISI DAN PERPINDAHAN



TUJUAN Merancang dan menguji pontensiometer linear.



sensor



perpindahan



resistif



menggunakan



PERALATAN    



Potensiometer linear Voltmeter Power supply atau Baterai Penggaris/mistar



TEORI Pergeseran atau perpindahan dapat diukur dengan beberapa cara, diantaranya dengan memanfaatkan sifat listrik bahan atau piranti elektronik seperti resistansi, kapasitansi atau induktansi. Pada modul ini akan dikembangkan sensor pergeseran berdasarkan perubahan nilai resistansi sebuah potensiometer ketika tuasnya digeser, disebut sensor pergeseran resistif. Prinsip sensor pergeseran resistif ditunjukkan pada Gambar 1-1, terdiri dari sebuah potensiometer liner, power supply dan Voltmeter. Power supply sebagai sumber tegangan input (Vs) dihubungkan ke ujung-ujung potensiometer, sementara sebuah voltmeter dihubungkan ke salah satu ujung potensiometer dan tuas tengah potensiometer (lihat Gambar 1). Ketika tuas tengah potensiometer digeser, nilai tegangan keluaran pada Voltmeter akan berubah karena nilai hambatan potensiometer terbagi bergantung posisi tuas. Hubungan antara tegangan keluaran (Vo) terhadap pergeseran diberikan oleh



Vo  Vs



X  X Min X Mzx  X Min



Vs adalah tegangan sumber, XMin adalah posisi resistansi mimum potensiometer, XMaxadalah posisi resistansi maksimum dan X adalah pergeseran terhadap posisi minimum.



Gambar 1-1 Prinsip sensor pergeseran



4



PROSEDUR 1. 2. 3.



4. 5. 6.



Rangkaikan sebuah potensiometer, Power supply dan Voltmeter seperti pada Gambar 1-1. Catat nilai tegangan sumber (Vs) pada Tabel 1-1. Geser tuas mulai dari posisi minimum hingga maksimum (gunakan skalaskala penggaris untuk menentukan posisi), catat tegangan keluaran (dengan Voltmeter) untuk setiap posisi tuas mulai dari posisi resistansi minimum hingga posisi maksimum. Catat pada Tabel Ulangi percobaan ini sebanyak tiga kali Lakukan percobaan yang sama (point 3-4) tetapi pengukuran di lakukan dari posisi resistansi maksimum ke minimum Lakukan percobaan ini untuk tiga nilai tegangan sumber.



Tabel 1-1. Data Tegangan sumber (Vs): .......... Volt No Posisi (X) Tegangan output (Vo)



Vo rata-rata



TUGAS 1. 2. 3. 4.



Buat kurva antara tegangan keluaran Vovs.Perpindahan (X) baik dari posisi minimum ke posisi maksimum dana sebaliknya pada satu grafik. Tentukan linieritas dan sensitivitas sensor Amati histeresis sensor berdasarkan data pengukuran dari minimum resistansi ke maksimum dan sebaliknya. Bahas hasil pengamatan Anda dan buat laporan dengan format standar laporan praktikum.



5



PRAKTIKUM 2 STRAIN-GAUGE TUJUAN Mendemonstrasikan prinsip kerja dan mengkarakterisasi sebuah strain-gauge PERALATAN  Strain-gauge  Beban (massa bervariasi)  Multimeter TEORI Strain gauge adalah piranti yang berubah resistansi listriknya terhadap stress (efek piezoresistif). Strain adalah perubahan fraksional (∆L/L) dalam dimensi objek sebagai akibat stress mekanik (gaya/luas). Resistansi R material yang panjangnya L, luas penampang A dan resistivitas  adalah R = L/A Dengan mendeferensiasi, faktor gauge (G) menjadi



dimana v adalah rasio Poisson (v 0.3), yang menentukan strain dalam arah normal terhadap L. Pada gauge foil logam, suku geometri mendominasi (G2). Pada gauge semikonduktor, suku piezoresistif mendominasi (G100). Strain-gauge terdiri dari grid kawat halus atau bahan semikonduktor yang diikatkan pada material penyangga.Strain gauge dapat dirangkai dalam susunan Jembatan Wheastone (Gambar 2-1).Ketika beban diberikan pada lengan Strain Gauge, hambatan rangkaian berubah sehingga tegangan keluaran juga berubah. Tegangan keluaran sebanding dengan beban (massa) yang diberikan pada StrainGage (SG).



R1



R2 Eo



E SG1



SG1



Gambar 2-1. Sebuah Strain-Gauge dan Rangkaiannya



6



PROSEDUR 1. 2. 3. 4. 5.



Hubungkan rangkaian seperti pada Gambar2-2, set coarse control Amplifier 1 pada 100 dan fine control pada 0.5. Saklar ON tanpa beban pada strain gauge, atur offset control Amplifier 1 hingga keluaran tegangan nol. Letakkan koin (massanya terspesifikasi) pada lengan strain gauge dan catat pembacaan Voltmeter. Tambahkan koin (spesifikasi sama), dan catat pembacaan Voltmeter. Lakukan hingga beberapa koin (minimal 5 koin). Buat tabel data. Lakukan percobaan yang sama (poin 2-4), tetapi dimulai dari massa beban paling besar hingga terkecil.



Gambar 2-2. Rangkaian Strain-Gauge TUGAS 1. Buat kurva antara massa (gram) koin terhadap tegangan (Volt). 2. Tentukan linieritas dan sensitivitas sensor 3. Amati histeresis sensor berdasarkan data pengukuran dari minimum massa ke maksiumum dan sebaliknya. 4. Jelaskan fungsi coarse controldan fine control dan pengaturan offset control pada Amplifier 1. 5. Jelaskan tujuan penaturancoarse control Amplifier 1 pada 100 dan fine control pada 0.5. Jika dirubah pada posisi yang lain akan mempengaruhi apa?. 6. Bahas hasil pengamatan Anda dan buat laporan dengan format standar laporan praktikum.



7



PRAKTIKUM 3 SENSOR SUHU TUJUAN Mengukur dan menganalisa karakteristik sensor suhu (Termokopel, Termistor dan Semikonduktor) PERALATAN    



Termokopel Termistor Multimeter Termometer digital



TEORI Suhu dapat diukur dengan berbagai mekanisme dan piranti. Berbagai sensor suhu (termometer) telah dikenal seperti termometer raksa, termometer inframerah, termokopel, termistor, dsb. Dalam modul ini akan digunakan termokopel dan termistor sebagai transduser untuk mengukur suhu. Termokopel Termokopel bekerja berdasarkan efek Seebeck yang merupakan salah satu dari Efek Termolistrik. Skema sebuah termokopel diperlihatkan pada Gambar 3-1. Termokopel dibuat dari dua logam berbeda yang digabungkan (dikopel) pada salah satu ujung kedua logam, sementara ujung lainnya dibebaskan. Ketika ada perbedaan suhu antara ujung-ujung yang bergabung (terkopel) dan ujung-ujung bebas (terbuka), akan dibangkitkan tegangan listrik (GGL) yang dapat diukur langsung dengan sebuah Voltmeter. Efek Seebeck diberikan oleh hubungan dVs = αa,b dT; Vsadalah potensial Seebeck, αa,b adalah koefisien Seebeck sistem, dan T adalah suhu



Gambar 3-1. Rangaian termokopel Termistor Konduktivitas bahan semikonduktor berubah signifikan terhadap suhu. Termistor adalah komponen elektronik yang memiliki resistansi listrik yang bergantung pada karakteristik konduktivitas versus suhu semikonduktor. Terdapat dua jenis termistor berbeda yang bergantung pada arah perubahan resitivitasnya, yaitu NTC (Negative Temperature Coefficient) dan PTC (Positive Temperature Coefficient). Termistor NTC memiliki resistansi yang menurun terhadap



8



meningkatnya suhu, sebaliknya Termistor PTC meningkat terhadap menurunannya suhu. Resistansi piranti NTC sebagai fungsi suhu diekspresikan oleh hubungan berikut:



R  Ro exp( dimana T = To = Ro = B =



B B  ) T2 T1



suhu mutlak (K) suhu awal (K) resistansi pada temperatur T o konstanta suhu



Dari persamaan di atas, koefisien resistansi-suhu didefinisikan sebagai:







1 dR B   2 R dT T



Harus diperhatikan bahwa resistansi berbanding terbalik terhadap kuadrat suhu. Kurva karakteristik termistor NTC dan PTC ditunjukkan pada Gambar 3-2. Karena termistor melepaskan panas, rating daya termistor harus dipertimbangkan ketika memilih termistor. Rating daya tipikal dalam rentang beberapa puluh miliwatt hingga beberapa watt.



Gambar 3-2. Termistor dan karakteristiknya Termistor digunakan di dalam rangkaian elektronik sebagai elemen pengkompensasi suhu. Juga termistor PTC ditemukan di dalam rangkaian kontrol suhu otomatis sebagai sumber panas terkontrol. PROSEDUR Termokopel 1. Siapkan OP Amp. Unit. Jaga saklar power OFF. 2. Buat koneksi antara Sensor Unit dan OP Amp. Unit (Gambar 3-3) 3. Nyalakan power OP Amp., dan hubungkan Digital Multimeter ke terminal output OP Amp. Set range multimeter pada 200 mV.



9



4. Cek pembacaan Digital Multimeter dan output OP Amp. dalam Volt. (Catatan: Perhatikan bahwa gain OP Amp. diset pada 10)



Gambar 3-3. Rangkaian sensor dan OP Amp. 5. Gambar 3-4, berikan panas pada termokopel dengan menggunakan hot soldering iron. Buat grafik yang memperlihatkan hubungan antara suhu termokopel dan output OP Amp. 6. Untuk mengatur gain, jump pin 6 dan 7 dari OP Amp., dan atur resistor variable 500 k.



Gambar 3-4. Pemanasan termokopel dan kurva keluaran 7. Set gain OP Amp pada 50, dan hubungkan output OP Amp ke komparator seperti diperlihatkan pada Gambar 3-5. 8. Terapkan panas pada termokopel hingga LED hijau pada output komparator. 9. Ulangi point 8 pada suhu berbeda



10



Gambar 3-5. Rangkaian penguran karakteristik termokopel Tugas 1. Buat grafik yang memperlihatkan hubungan antara suhu termokopel dan output OP Amp 2. Hitung tegangan output termokopel pada suhu ruang dengan menggunakan nilai yang diperoleh pada Step 4, jika gain dari dua amplifier yang saling terhubung adalah 100? 3. Berapakah gain yang diperlukan jika output Op Amp 1V? 4. Jelaskan fungsi dari rangkaian komparator pada percobaan ini? 5. Jelaskan kenapa pada langkah 8 nyala LED indikator pada kompartor berubah warna dari merah ke hijau. Termistor Resistansi termistor berubah terhadap suhu. Untuk termistor jenis NTC, resistansi termistor menjadi lebih rendah jika suhu ditingkatkan. Resistansi termistor di dalam ED-6800B adalah 2 k pada suhu ruang. Oleh karena itu, ketika resistansi berubah menjadi 1.9 k akibat perubahan suhu, laju perubahan adalah 5%. Perubahan tersebut dapat dideteksi menggunakan rangkaian jembatan seperti pada Gambar 3-6.



11



Gambar 3-6. Rangkaian jembatan pengukuran termistor Dalam kondisi seimbang dari jembatan (Zero output), berlaku hubungan RS/RB = RX/RA RX adalah hambatan sensor termistor dan RS adalah resistor penyeimbang rangkaian jembatan. Setiap perubahan RX akibat perubahan suhu setelah seimbang diperoleh muncul pada output jembatan. Sensitivitas detektor jembatan biasanya sangat bagus. PROSEDUR 1. Siapkan OP Amp. Unit. Jaga power OFF. 2. Merujuk Gambar 3-7, hubungkan antara OP Amp. Unit (OU-6801), Sensor Unit (SU-6803) dan multimeter. 3. Ukur resistansi termistor pada suhu ruang menggunakan multimeter. Juga ukur suhu ambient aktual. 4. Hubungkan sensor termistor ke terminal SENSOR INPUT dari Sensor Unit. Set rentang volt multimeter yang disisipkan antara output jembatan dan ground ke 20 V. 5. Hidupkan power pada OP Amp. Unit. Dengan mengatur kontrol BALANCE, set jembatan untuk ke balance sedemikian sehingga indikasi volt menunjuk nol. 6. Pegang ujung sensor dengan dua jari selama sekitar 30 detik, dan amati perubahan pembacaan tegangan. Dalam kasus jarum meter volt menyimpak ke arah sebaliknya, balikkan/pindahkan koneksi meter. (agar teramati perubahannya pindahkan set volt multimeter ke rentang 200 mV) 7. Hubungkan antara output jembatan dan input amplifier seperti diindikasikan oleh garis bertitik ≠1 di dalam Sensor Unit. Juga hubungkan sebuah Voltmeter (dalam rentang 3V) pada output amplifier. 8. Tip (kepala) sensor yang dipanaskan oleh jari-jari tadi harus didinginkan ke suhu ruang. Pastikan meter tegangan menunjukkan nol. Jika tidak, atur ulang rangkaian jembatan. Sentuh tip (kepala) sensor dengan dua jari lagi, dan amati indikasi tegangan. Bandingkan pembacaan dengan indikasi arus pada Step 6. Seharusnya teramati bahwa Step 7, yang menggunakan amplifier, memberikan resolusi sensing yang lebih baik. 9. Instal probe termistor dan termometer alkohol pada plat panas dari Sensor Unit seperti diperlihatkan padaGambar 3-8(a). Hidupkan saklar pemanas. Merujuk Gambar 3-8(b), catat temperatur dan tegangan pada setiap interval 30 atau 60 detik sampai didapatkan 10 data.



12



Gambar 3-7. Rangkaian pengukuran karakteristik termistor



Gambar 3-8. Instalasi probe termistor dan karakteristiknya 10. Matikan saklar pemanas. Catat pembacaan suhu dan tegangan pada setiap menit selama kira-kira sepuluh menit. Gambar dua kurva seperti ditunjukkan pada Gambar 3-8(b). [Catatan] Bergantung pada konduktivitas termal antara sumber panas dan objek yang akan dipanaskan, karakteristik pemanasan dan pendinginan tidak



13



11.



12.



13.



14. 15.



perlu sama. Normalnya, pendinginan memerlukan lebih banyak waktu pada konveksi alami. Pendinginan menggunakan kipas untuk mereduksi waktu pendinginan. Hubungkan antara point-point seperti diindikasikan oleh garis bertitik 1, 2, 3 dan 4. Set saklar pendingin ke AUTO. Seimbangkan rangkaian jembatan pada suhu ruang. Dengan sensor suhu (termistor) dan termometer seperti di-set pada Gambar 3-8(a), atur input referensi OP Amp. Comparator ke -0.5V. [Catatan]Ketika suhu ditingkatkan pada sensor suhu (termistor), output rangkaian jembatan muncul negatif. Ini karena termistor yang digunakan adalah NTC. Untuk men-drive LED “+” pada output komparator, input referensi (bias) di set di bawah 0 Volt. Hidupkan saklar pemanas. Cari suhu pada mana LED “+” menyala. Perhatikan bahwa ketika LED “+” menyala, menandakan bahwa suhu terlalu tinggi, kipas hidup secara otomatis. Ini karena sistem dikonfigurasi untuk mendemonstrasikan konsep kontrol otomatis. Kurangi tegangan referensi secara gradual, dan cari suhu pada mana kipas mulai beroperasi. Matikan pemanas, dan tingkatkan tegangan referensi secara gradual. Catat output komparator vs. suhu.



Tugas 1. Jelaskan kenapa dengan merubah pengaturan control BALANCE tegangan output dari jembatan wheatstone berubah? Dan jelaskan kapan terjadinya output dari jembatan wheatstone NOL? 2. Jelaskan kenapa pada langkah 6 dan 8 perubahannilai tegangannya berubah? (Jelaskan apa fungsi dari amplifier?) 3. Jelaskan fungsi dari tegangan referensi pada komparator? 4. Jelaskan proses system otomasi pada langkah 13.



14



PRAKTIKUM 4 SENSOR CAHAYA TUJUAN Mengamati dan mengkarakterisasi fotovoltaik).



sensor cahaya (sel fotokonduktif dan



TEORI Sensor cahaya atau fotosensor merespon energi cahaya yang datang padanya, dan menghasilkan sinyal listrik. Kuat sinyal keluaran sebanding dengan intensitas cahaya. Beberapa fotosensor memiliki transmiter dan receiver cahaya built-in. Fotosensor diklasifikasikan atas sensor fotoemisif, fotoresistor atau fotokonduktor, fotovoltaik, fotodioda dan fototransistor. Fotokonduktor atau sel fotokonduktif adalah fotosensor yang didasarkan atas perubahan nilai konduktivitas material sensor ketika dikenai cahaya dengan intensitas berbeda. Sel fotokonduktif biasanya dibuat dari lempengan semikonduktor (CdS) yang diberi kontak logam (emas). Saat tidak ada cahaya mengenai bahan semikonduktor, resistansinya tinggi. Ketika cahaya mengenai bahan semikonduktor akan membangkitkan pasangan elektron-hole sehingga mereduksi nilai resitansinya, sehingga disebut juga sensor fotoresistif.



Gambar 4-1. Sensor fotoresistif (CdS) Sel fotovoltaik dikonstruksi dari dua lapisan semikonduktor (seperti silikon) ekstrinsik dengan tipe berbeda, tipe-p dan tipe-n, membentuk persambungan (junction). Lapisan tipis p-Si dibentuk diatas substrat wafer n-Si, seperti pada gambar di bawah. Ketika cahaya mengenai sel, elektron-hole dibangkitkan pada persambungan. Kedua muatan berbeda tersebut dipisahkan oleh medan listrik internal pada persambungan dan dialirkan menuju rangkaian luar yang menghasilkan daya listrik pada beban (load). Tegangan keluaran bergantung pada besarnya cahaya yang tiba pada piranti (sel) dan maksiumum sebesar 0,6V. Dengan sebuah beban (load) yang dihubungkan dengan keluaran, arus listrik mengalir. Besarnya arus bergantung pada besarnya cahaya yang jatuh pada piranti.



15



Gambar 4-2. Sel fotovoltaik Fototransistor adalah transistor sensitif cahaya, dikonstruksi dari persambungan semikonduktor tipe-n dan tipe-p, dengan struktur npn atau pnp. Untuk struktur npn, tipe-p (basis) bertindak sebagai penerima cahaya. Transistor ini dirangkaikan dengan sebuah penguat atau komponen-komponen elektronik lainnya. Ketika transistor disinari, arus mengalir melalui piranti darikolektor ke emiter, yang besarnya sebanding dengan energi foton (cahaya) datang.Tegangan keluaran tergantung pada arus dan resistansi di dalam rangkaian. PROSEDUR LED dan Fotosensor (Tujuan: Memahami operasi LED inframerah dan transistor receiver dalam mendeteksi ojek) 1. Matikan power OP Amp. Unit. Hubungkan unit-unit seperti pada Gambar4-3. Set BIAS Sensor Unit ke “DC”. 2. Cantolkan modul LED dan Fototransistor pada suatu jarak dengan mengatur rel. Set jarak antara dua objek pada 5 mm. Nyalakan saklar power. 3. Set level BIAS pada kira-kira 5 (pertengahan). Dengan menggunakan rentang Rx100 dari multimeter, ukur konduktansi antara kolektor dan emiter dari fototransistor. 4. Gerakkan sensor (receiver) menjauh dari modul LED secara gradual, dan pada setiap 5 mm, ukur konduktansi seperti diindikasikan pada multimeter. Gambar grafik antara jarak dan konduktansi. 5. Tingkatkan BIAS ke level maksimum (10), dan ulangi Step 4. Bandingkan sensitivitas antara dua kasus: 1) Untuk jarak tertentu, bias ditingkatkan dengan faktor 2 2) Untuk BIAS tertentu, jarak diturunkan dengan faktor 2. Mana yang memiliki sensitivitas lebih baik?



16



Gambar 4-3. Rangkaian LED-Fototransistor 6. Hubungkan plug sensor (receiver) ke terminal-R, dan set multimeter analog ke 15 VDC. Hubungkan Voltmeter ke Output Fotosensor dan GND. 7. Set level BIAS ke 5. *ada setiap kenaikan 5 mm, ukur tegangan Output Fotosensor, dan gambar kurva hubungan jarak terhadap tegangan output. Cari laju perubahan tegangan output sebagai fungsi jarak 8. Set jarak antara sumber (LED) dan receiver (Fotosensor) pada 10 mm. Lindungi receiver (Fotosensor) dengan selembar kertas atau tangan sedemikian sehingga tidak ada cahaya yang mengenai fotosensor, dan perhatikan jika tegangan output berubah. Dalam kasus output berubah, jelaskan mengapa! 9. Matikan OP Amp sesaat, dan ubah rangkaian seperti pada Gambar 4-4. 10. Set BIAS T-Device dari Sensor Unit ke 100 Hz AC, dan set level output ke 5. Atur osiloskop ke display untuk sinyal 100Hz 2V. 11. Set jarak antara sensor LED dan Fototransistor pada 5 mm, dan nyalakan power OP Amp. 12. Ukur tegangan output puncak-ke-puncak pada osiloskop. Ukur tegangan output dengan multimeter pada setiap interval 5 mm, dan gambar kurva hubungan tegangan output terhadap jarak.



17



Gambar 4-4. Rangkaian LED-Fototransistor 13. Ubah BIAS pada 1 kHz, dan ulangi step 12. Gambar kurva seperti pada step 12. Ukur tegangan puncak-ke-puncak pada osiloskop dan gambar (sketsa) bentuk gelombang pada selembar kertas. 14. Set BIAS pada level 10, dan ulangi step 11 dan 12. 15. Set jarak antara sumber (LED) dan receiver (Fotosensor) pada 10 mm. Lindungi receiver dengan selembar kertas atau tangan, dan perhatikan jika output berubah. Bandingkan lagi Step 8. Dalam kasus ini hasilnya berbeda, jelaskan mengapa? Tugas 1. Gambar grafik antara jarak dan konduktansi pada langkah 4. 2. Berdasarkan data pengamatan yang didapat pada langkah 5, jelaskan pemahaman anda. 3. Jelaskan fungsi pengaturan BIAS LEVEL. 4. Gambar kurva hubungan jarak terhadap tegangan output dan Cari laju perubahan tegangan output sebagai fungsi jarak pada langkah ke-7. 5. Tuliskan penjelasan anda berdasarkan hasil pengamatan pada langkah ke-8. 6. Gambar kurva hubungan tegangan output terhadap jarak pada langkah ke-12 7. Kerjakan perintah pada lankah ke-13 8. Jelaskan mengapa terjadi perbedaan data pengamatan ketika menggunakan sumber bias DC dan AC.



18



CdS dan Fotokopler (Tujuan: Mempelajari karakteristik sel CdS dan piranti fotokopler) Output sel CdS bervariasi ketika intensitas cahaya datang berubah. Sifat ini kadang-kadang membuat sel CdS lebih mudah digunakan daripada fototransistor. Contoh aplikasi sel CdS seperti saklar otomatis untuk lampu jalan. Sel CdS esensialnya adalah relay tanpa kontak. Ketika dikombinasikan dengan fotokopler, sel CdS dapat bertindak sebagai kontrol volume elektronik. Waktu respon sel CdS ini kira-kira 10 ms, dan sensitivitas maksimum pada 520 nm. Panjang gelombang tersebut berada pada rentang cahaya tampak (visible), dan oleh kerena itu, sensor dapat digunakan sebagai alat ukur (meter) cahaya. 1.



Jaga power OP Amp. Unit OFF, dan rangkai Sensor Unit seperti pada Gambar 4-5. Set BIAS T-Device Sensor Unit ke DC, dan set level BIAS ke minimum.



Gambar 4-5. Rangkaian LED-CdS 2. 3. 4. 5.



Set jarak antara Lampu dan modul CdS pada sekitar 20 mm, dan hidupkan. Ukur resistansi CdS dengan T-Device Bias di-set pada “0”. Tingkatkan level Bias secara perlahan, dan ukur resistansi pada setting Bias “5” dan “10”. Lindungi Lampu dan Sensor CdS dengan kertas hitam dan ulangi Step 2 dan 3. Matikan OP Amp. sementara, dan ubah rangkaian seperti pada Gambar 4-6. Hubungkan Pin 6 pada OP Amp ke Pin 8. Set BIAS ke DC, dan level Bias pada “0”.



19



Gambar 4-6. Rangkaian LED-CdS 6. Set jarak antara Lampu dan sel CdS pada 5 mm. Lindungi CdS dari semua cahaya selain cahaya Lampu. 7. Hidupkan power. Atur Offset Bias hingga output 0. 8. Tingkatkan Bias T-Device dari 1 hingga 10, dan ukur output OP Amp. Jika output bervariasi linear terhadap perubahan Bias, maka fotokopling berfungsi dengan baik. 9. Pada Gambar 4-5, set kecepatan rotating disk pada kira-kira 30 rpm ( satu revolusi per 2 detik), dan bawa sensor Cds sedemikian sehingga sensor dapat menerima cahaya yang berasal dari Lampu di sebelah dalam disk. Amati perubahan resistansi dengan menggunakan multimeter. Gerakkan sensor sedemikian sehingga sensor menerima cahaya dari Lampu di luar disk. Tingkatkan kecepatan motor secara gradual, dan amati bentuk gelombang pada osiloskop. Diskusikan perbedaan performansi antara sensor CdS dan fototransistor jika ada. 10. Hubungkan sensor fototransistor seperti pada Gambar 4-4, dan tempatkan Photo Trainer Sensor dimana terdapat Lampu di sebelah luar disk. Tingkatkan kecepatan motor, dan amati bentuk gelombang pada osiloskop. Set time base osiloskop pada “CAL”, dan ukur perioda sinyal. Ulangi eksperimen dengan Sensor CdS dan bandingkan hasilnya.



20



Tugas 1. Berikan penjelasan anda bedasarkan data pengamatan pada langkah ke-3. 2. Berikan penjelasan anda bedasarkan data pengamatan pada langkah ke-4. 3. Berikan penjelasan anda bedasarkan data pengamatan pada langkah ke-8. 4. Berikan penjelasan anda bedasarkan data pengamatan pada langkah ke-9. 5. Berikan penjelasan anda bedasarkan data pengamatan pada langkah ke-10



21



PRAKTIKUM 5 SENSOR GETARAN DAN PERCEPATAN TUJUAN 1. Memahami karakteristik transduser ultrasonik dan sensor ultrasonik. Mencoba dasar-dasar komunikasi ultrasonik. 2. Mengukur percepatan (aselerasi) sebuah objek jatuh menggunakan sensor kejut (shock sensor). TEORI Sebuah piranti (device) yang merespon getaran dan menghasilkan sinyal dikenal sebagai sensor getaran (vibrasi). Sebagai contoh, mikrofon dan transceiver ultrasonik merupakan sensor getaran. Karena telinga manusia tidak mampu mendengar sinyal ultrasonik, sensor ultrasonik menguntungkan ketika interferensi dari sinyal-sinyal audible menjadi masalah. Pada sisi lain, sensor seismik yang merespon frekuensi sangat rendah dari gempa bumi juga merupakan sensor getaran. Sensor Ultrasonik Struktur internal dan rangkaian ekivalen sebuah sensor ultrasonik diperlihatkan pada Gambar 5-1. Elemen vibrasi dibuat dari dua plat tipis. Plat-palt ini dapat berupa elemen piezoelektrik atau kombinasi piezoelektrik dan plat logam. Plat-plat ini mulai bervibrasi ketika sinyal listrik dengan frekuensi sekitar frekuensi karakteristik elemen piezoelektrik di terapkan kepada plat-plat. Ketika plat-plat bervibrasi, energi menjalar melelui screen. Proses receiving berlawanan dengan proses transmitting. Ketika sinyal bunyi ultrasonik menabrak elemen piezoelektrik, elemen membangkitkan sinyal listrik yang identik dengan frekuensi sinyal yang diterima. Rentang frekuesni tipikal operasi ultrasonik adalah 38 kHz – 45 kHz. Sensor ultrasonik digunakan dalam mengidentifikasi objek, dan dalam piranti-piranti pengukur jarak. Juga, sensor ultrasonik ditemukan pada pengontrol jarak jauh, dan dalam peralatan medis.



Gambar 5-1. Sensor ultrasonik



22



Sensor Vibrasi-Sensor Kejut Sensor vibrasi merespon gelombang yang menjalar melalui udara atau medium lain. Sebagai contoh mikrofon, yang merupakan transduser elektroakuistik yang mersepon gelombang bunyi dan mengkonversinya menjadi gelombang listrik. Struktur internal sebuah mikrofon ditunjukkan pada Gambar 5-2.



Gambar 5-2. Sensor vibrasi Piranti (device) yang mirip dengan mikrofon tetapi beroperasi pada frekuensi sangat rendah (rentang beberapa Hz) juga merupakan jenis sensor vibrasi. Ketika piranti tersebut dikenai gelombang kejut (shock), koil bergerak yang ditempatkan di dalam medan magnet menghasilkan gaya elektromotif (EMF). Piranti ini digunakan dalam survey bawah permukaan. Sensor kejut (shock sensor) dikonstruksi berdasarkan efek piezoelektrik, yang sebanding dengan kuat gelombang kejut yang datang, dihasilkan pada frekuensi karakteristik sensor. Frekuensi output sensor kejut berbasis piezoelektrik merupakan frekuensi karakteristik elemen piezoelektrik sendiri. Kuat sinyal bervariasi bergantung pada kuat gelombang kejut yang datang. Detektor kejut memerlukan detektor puncak, karena menemukan puncak kejut merupakan tujuan utama. Respon frekuensi tipikal sebuah elemen sensor mulai dari beberapa ratus Hz hingga bberapa kHz, dan besarnya dapat beberapa ratus mV pada level kejut 40 G. PERCOBAAN Transmisi dan Resepsi Gelombang Ultrasonik Pada Gambar 5-3 diperlihatkan sebuah karakteristik reaktansi transduser ultrasonik.



rangkaian



ekivalen



dan



Output generator dari Sensor Unit, yang digunakan sebagai input untuk transduser, berupa sinyal kotak. Namun demikian, bentuk output gelombang adalah sinusoidal. Dengan men-tanah-kan input kontrol akan menghentikan pembangkitkan gelombang kotak. Ketika sinyal gelombang kotak, seperti diperlihatkan pada Gambar 5-4(a), dari function generator diterapkan ke input kontrol, sinyal ultrasonik seperti diperlihatkan pada Gambar 5-4(b) dapat diperoleh. Sinyal tersebut digunakan untuk unit-unit kontrol jarak jauh dalam aplikasi komersial.



23



Gambar 5-3. Rangkaian ekivalen dan karakter transduser ultrasonik



Gambar 5-4. Sinyal gelombang kotak dan sinyal ultrasonik Peralatan  OP Amp Unit (OU-6801)  Tracking Power Supply (0~±20V)  Sensor Unit (SU-6806B)  Oscilloscope, dual trace  Function Generator  Frequency Counter



24



Prosedur 1. 2.



Jaga power supply OFF. Hubungkan peralatan seperti pada Gambar 5-5. Set osiloskop untuk 40 kHz, 0.1V/div. Set generator pada 40 kHz, dan hidupkan saklar toggle dari Sensor Amp.



Gambar 5-3. Rangkaian sensor getaran 3.



Hidupkan power, dan bawah modul transmisi mendekati Sensor Unit, dan cek osiloskop untuk sinyal yang diterima. Variasikan jarak antara pemancar (transmitter) dan penerima (receiver) dan ukur tegangan puncak-puncak yang diamati pada osiloskop. Catat nilai-nilai ini di dalam Tabel (Gambar 5-6) pada kolom 40 kHz. Frekuensi Jarak



20 kHz



25 kHz



30 kHz



40 kHz



50 kHz



60 kHz



70 kHz



80 kHz



cm cm cm cm Gambar 5-6. Data kuat sinyal (Volt) vs. jarak transmitter-receiver 4.



Tetapkan jarak antara transmitter dan receiver. Variasikan frekuensi generator seperti dicatat pada Tabel (Gambar 5-6), dan ukur tegangan puncak-puncak. Catat nilai-nilai tersebut di dalam Tabel.



25



5.



Untuk jarak yang diberikan, transmisikan sinyal menuju sebuah objek logam ataupun kayu, dan amati perbedaan sinyal yang diterima. Pastikan objek disusun sedemikian sehingga receiver menerima sebanyak mungkin gelombang yang dipantulkan.



6.



Matikan saklar power, dan hubungkan function generator dengan impedansi output 50  ke Control Input dari rangkaian generator seperti diperlihatkan pada Gambar 5-7.



Gambar 5-7. 7.



Set function generator untuk output gelombang kotak 100 Hz pada 15Vp-p. Set CH-1 osiloskop untuk 100 Hz, 0.1 Vp-p dan CH-2 untuk 100 Hz, 0.2 Vpp.



8.



Nyalakan power dan juga saklar toggle pada Sensor Amp. Bawa modul transmitter mendekati Sensor, dan amati bentuk gelombang pada osiloskop. Bandingkan perbedaan antara bentuk gelombang CH-1 dan CH-2.



Tugas 1. Jelaskan hubungan antara kuat sinyal dan jarak berdasarkan data langkah 3. 2. Jelaskan pengaruh frekuensi sinyal yang diberikan terhadap nilai tegangan yang teramati. 3. Jelaskan mengapa ada perbedaan sinyal yang diterima antara logam dan kayu pada langkah 5. 4. Jelaskan fungsi dari Rangkaian Sensor AMP dan rangkaian Rectifier pada sensor UNIT. 5. Jelaskan kenapa terjadi perbedaan bentuk gelombang pada CH-1 dan CH-2



26



Pengukuran Aselerasi dengan Sensor Kejut (Shock Sensor) Dua jenis Sohock Sensor diperlihatkan pada Gambar 5-8. Dari kedua jenis ini, aselerometer piezoelektrik digunakan dalam percobaan ini. Karena aselerasi akibat kejutan yang hanya pada basis transient, maka perlu menangkap tegangan puncak yang dihasilkan oleh elemen piezoelektrik. Rangkaian detektor puncak yang diperlihatkan pada Gambar 5-9 digunakan untuk tujuan ini.



Gambar 5-8. Sensor kejut (aselerometer)



Gambar 5-9. Rangkaian detektor puncak PERALATAN     



OP Amp. Unit (OU-6801) Tracking power supply (0 ~ ±20V) Sensor Unit (SU-6806B) Oscilloscope Multimeter



Prosedur 1.



2. 3.



Jaga power supply OFF, dan hubungkan perlatan-peralatan seperti Gambar 5-10. Hubungkan Shock Sensor ke External Input dari Sensor Unit. Jaga saklar Toggle Sensor pada kondisi OFF. Set osiloskop pada 0.2V/Div dan 10mS/Div. Hidupkan power. Posisi aselerometer sedemikian sehingga panah menunjuk ke bawah. Berikan kejutan menengah dengan menjatuhkannya ke meja. Jatuhkan sensor pada sekitar ketinggian 5 cm, dan amati bentuk gelombangCH-1 pada osiloskop.



27



4. 5. 6.



Atur rentang input dari osiloskop sedemikian sehingga bentuk gelombang kejut adalah sekitar 2 ~ 3 cm pada osiloskop. Set multimeter yang dihubungkan pada output detektor puncak ke rentang 10V DC. Tekan Reset untuk men-discharge C1. Tempelkan Shock Sensor pada Accessory 6800-10 dengan arah panah yang benar. Jatuhkan sensor pada beberapa ketinggian seperti diindikasikan di dalam Tabel berikut ke permukaan keras, dan catat tegangan puncak di dalam Tabel. Uji hasilnya. Apakah tegangan puncak proporsional dengan ketinggian. Buat kurva antara tegangan output puncak dan ketinggian. Ketinggian Tegangan output puncak



2 cm



4 cm



6 cm



8 cm



Gambar 5-10. Rangkaian pengukuran aselerasi Tugas 1. Jelaskan fungsi tombol riset pada langkah ke-5. 2. Buat kurva antara tegangan output puncak dan ketinggian pada langkah ke-6. 3. Jelaskan fungsi dan cara kerja rangkaian Peak Detector.



28



PRAKTIKUM 6



Analog-to-Digital (A/D) converter (Data Sensor Suhu) Output listrik dari kebanyakan sensor adalah sinyal analog.Agar sinyal analog dapat diterima oleh system digital atau controller microprosesor, sinyal analog tersebut harus dikonversi ke sinyal digital.Untuk keperluan tersebut digunakan A/D converter. Metode Conversi A/D (Perbandingan Paralel) Tipe perbandingan parallel A/D converter ditunjukkan Gambar 6-1.Tipe ini merupakan tipe yang biasa digunakan yang sering juga disebut flash conversion.Teknik ini merupakan teknik conversi yang paling cepat, teori operasionalnya sangat sederhana dan mudah untuk dipahami.



Gambar 6-1Metode Conversi A/D (Perbandingan Paralel) Pembagi tegangan memberikan tegangan referensi untuk satu inputan dari masing-masing tegangan comparator. Nilai referensi total dari masing-masing comparator adalah total tegangan antara +Ref dan –Ref dibagi dengan jumlah komparator (n komparator). Nilai disetiap titik pembagi tegangan merupakan range dari total tegangan yang diberikan. Semua resistor R o sampai Rn harus memiliki nilai yang sama. Pergantian inputan diatur untuk memberikan kecepatan system perwaktuan. Tegangan input analog datang melalui switch input yang diberikan oleh kapasitor Sample-and-Hold (S/H) pertama. Tegangan S/H dibandingkan dengan nilai referensi pada masing-masing komparator. Output dari komparator yang nilai referensinya lebih rendah daripada input analog akan menjadi high. Input hasil komparator dimasukkan ke dalam encoder (rangkaian logika) untuk mendapatkan sinyal digital yang sesuai. Perbandingan antara inputan analog dan bentuk gelombang Sample-and-Hold dapat dilihat pada Gambar 6-2.



29



Gambar 6-2 inputan analog (a) dan bentuk gelombang Sample-and-Hold (b) Data digital lebih disukai daripada data analog karena beberapa alasan: 1. Mudah menyimpan data digital dan dapat dengan mudah dimanipulasi menggunakan computer 2. Sebuah sistem operasi dapat digunakan untuk melakukan control presisi numerik menggunakan data digital 3. Karena sinyal data digital hanya 1 atau 0, sehingga dapat mengurangi noise Resolusi ADC pada percobaan ini adalah 8-bit.Resoluasi memiliki rentang skala 1/256 (atau 1/28). Nilai maksimum input analog adalah 5 V. Akan tetapi, attenuator dapat menerima sinyal analog 10 V. Referensi input dirubah untuk mendapatkan variable output digital. Peralatan: 1. Sinyal converter unit CU-6802 2. Sensor unit SU-68-03 3. Multimeter analog 4. Thermistor Temp. Sensor 6800-2 5. Alcohol thermometer Prosedur percobaan: 1. Jaga power signal converter OFF dan DATA HOLD pada posisi OFF. 2. Hubungkan kabel signal converter dan sensor unit seperti pada Gambar 43: 3. Jaga switch HEATER on dan sensor unit OFF (AUTO). Tempatkan sensor temperature dan thermometer secara vertikal diatas heat plate. 4. Set V-Referensi A/D dan D/A ke „CAL‟. Hidupkan power, cek analog meter dan LED (Do ~ D7) indicator digital input/output dengan input terminal dihubungkan singkat. Dengan tidak adanya inputan analog, semua bit (8) output digital akan low (mati). 5. Setelah mencoba step 4, lepas hubung singkat input analog. Ukur input analog dan cocokkan dengan output digital pada temperature ruang.



30



Gambar 6-3 Setup alat yang digunakan 6. Hidupkan heater (ON) pada sensor unit. Setiap 10 atau 20 detik ukur suhu, input analog dan input digital dan isikan pada tabel di bawah ini: Suhu o C



Analog Volt



D7



D6



Digital (8 bits) D5 D4 D3 D2



D1



D0



Keterangan



31



7. Matikan heater (posisi AUTO) dan hidupkan COOLER (posisi ON). Ulangi langkah 6 untuk mendapatkan karakteristik saat penurunan suhu. Ukur temperature, input analog, dan output digital. 8. Hubungkan output A/D dan input D/A seperti pada Gambar 3-9. Bandingkan nilai analog dan digital dari A/D converter dengan nilai D/A converter. Seharusnya nilai data analog dan data digital sama. Percobaan ini dilakukan dengan posisi input referensi pada posisi „CAL‟. Tugas 1. Jelaskan proses konversi data dari annalog ke digital menggunakan metode perbandingan parallel? 2. Jelaskan fungsi dari tegangan referensi pada rangkaian komparator perbandingan parallel? 3. Cari resolusi perubahan data digitalnya untuk setiap perubahan nilai data analognya. 4. Buat grafik hubungan antara tegangan vs decimal data digital saat suhu naik dan turun 5. Buat grafik hubungan antara suhu vs tegangan analog saat suhu naik dan turun 6. Buat grafik hubungan antara suhu vs desimal data digital saat suhu naik dan turun 7. Jelaskan kelebihan dan kekurangan data digital dibandingkan data analog.



32



PRAKTIKUM 7 SENSOR TEKANAN TUJUAN Mempelajari karakteristik sensor tekanan tipe semikonduktor dan rangkaian saklar tekanan elektronik. TEORI Saat ini tersedia dua jenis sensor tekanan: jenis pertama adalah Load Cell yang umum digunakan di dalam skala elektronik. Jenis lainnya adalah sensor berbasis teknologi zat padat yang digunakan dalam mengukur tekanan gas dalam larutan. Sensor jenis semikonduktor zat padat dicakup dalam bagian ini. Sensor tekanan berbasis semikonduktor dibuat menggunakan efek piezoresistansi dari material semikonduktor yang memperlihatkan resistansi bervariasi terhadap tekanan yang diterapkan. Gambar 7-1 memperlihatkan salah satu jenis sensor tekanan semikonduktor dimana diafragma baja mentransmisikan tekanan ke chip semikonduktor pada ujungnya. Gambar 7-2, memperlihatkan rangkaian yang digunakan dengan sensor untuk membangkitkan sinyal terdeteksi.



Gambar 7-1. Sensor tekanan jenis semikonduktor zat padat



Gambar 7-2. Rangkaian deteksi output sensor tekanan



33



Sensor ini secara mekanik kompak, dan memiliki rentang aplikasi yang lebar. Secara khusus, sensor ini bekerja baik dalam mendeteksi tekanan yang dikerahkan dari suatu gas atau larutan. Sensor ini memiliki waktu respon (response time) yang cepat, khususnya dalam rentang 1 sampai 10 millidetik. PERALATAN  OP Amp Unit OU-6801  Sensor Unit SU-6809  Analog multimeter  Handy Compressor Karakteristik utama sensor tekanan ini:  Rentang tekanan yang diukur: 0 ~ 1kg/cm2  Tekanan maksimum: Dua kali rentang tekanan maksimum yang terukur  Output: 1 ~ 5 V (output analog)  Gas yang terdeteksi: Gas-gas non-korosif  Akurasi deteksi: Lebih kecil dari 3% skala penuh  Karakteristik histeresis: Lebih kecil dari 2% (output ON/OFF) Yang perlu diperhatikan dalam penggunaan sensor tekanan:  Jangan menerapkan tekanan melebihi spesifikasi sensor. Output ON/OFF di set pada 1kg/cm2, yaitu tekanan maksimum sensor. Oleh karena itu, ketika Det LED indikator menyala, jangan terapkan tekanan lebih. Juga jangan merubah setting tekanan maksimum.  Output sensor berupa sinyal analog. Output ON/OFF digunakan untuk mendrive Det LED  Pastikan tidak ada objek lain selain udara pada input tekanan  Hanya boleh menggunakan Handy Compressor (bawaan kit ini) untuk membangkitkan tekanan. Jangan menggunakan kompresor lain  Tutup bukaan sensor ketika tidak digunakan



Gambar 7-4. Konstruksi sensor tekanan



34



PROSEDUR 1.



2.



3. 4. 5. 6.



Dengan OP Amp Unit dalam keadaan OFF, set up peralatan seperti ditunjukkan pada Gambar 7-5. Pindahkan tutup pada input tekanan dari sensor dan hubungkan kompresor tangan. Jaga tiga saklar sensor begitupun saklar motor dalam keadaan OFF, dan set multimeter pada 15V DC. Nyalakan OP Amp Unit. Set DC OFFSET BIAS pada posisi “0”. Putar inlet udara dari sensor tekanan sedemikian sehingga tidak ada tekanan di dalam kompresor tangan (Handy Compressor).Nyalakan sensor tekanan. Tekan udara menggunakan kompresor tangan hingga 3V output sensor analog terbaca pada multimeter. Cek LED “+” output komparator. LED seharusnya menyala. Putar bias ke +15V untuk menyalakan LED “-”. Tingkatkan tekanan dengan kompresor tangan. Ketika tekanan ditingkatkan, indikator LED akan kembali ke “+”. Catatan: Perhatikan bahwa input yang diterapkan ke input non-inverting, dan referensi diterapkan ke input inverting dari komparator. Oleh karena itu, LED “+” akan menyalan hanya ketika input lebih tinggi daripada referensi. Sebaliknya, LED “-“ akan menyala. 7. Kurangi tekanan dengan memutar inlet udara. Tingkatkan tekanan hingga LED “Det” pada sensor menyala. Dengan menjaga tekanan tidak berubah, atur bias komparator hingga LED “+” menyala. Catat tekanan pada point ini sebagai 1kg/cm2. Lengkapi Gambar 6-6.



TUGAS 1. Jelaskan fungsi dari pengaturan DC OFFSET BIASpada posisi “0”? dan jelaskan apa yang akan terjadi jika DC OFFSET BIAS diatur pada posisi tegangan negative atau positip. 2. Jelaskan mekanisme perubahan nyala warna LED pada rangkaian komparator ketika tekanan pada kompresor dinaikkan dan diturunkan. Jelaskan karakteristik (sensitivitas, lineritas, dan waktu respon) sensor tekanan berdasarkan hasil pengamatan Anda.



35



Tegangan output sensor, V



Gambar 7-5. Rangkaian pengukuran sensor tekanan



Gambar 7-6 Tekanan Udara, kg/cm2



36



PRAKTIKUM 8 SENSOR GAS TUJUAN Mengukur dan memahami prinsip kerja dan karakteristik sensor (alarm) gas TEORI Terdapat sejumlah sensor gas berbeda tersedia di pasaran. Metode deteksi bervariasi bergantung pada jenis sensor yang digunakan. Pada bagian ini, sensor gas berbasis semikonduktor akan dijelaskan. Sensor gas berbasis semikonduktor merupakan sensor gas paling populer. Sensor ini digunakan untuk mendeteksi gas LPG, LNG dan metana. Prinsip kerja sensor semikonduktor (TGS-813) didasarkan pada sifat-sifat unsur Iridium (Ir), Paladium (pd) dan semikonduktor SnO 2. Gambar 1(a) memperlihatkan konstruksi sensor gas berbasis bahan SnO 2 yang dilengkapi dengan koil pemanas (heater coil) yang terbuat dari Iridium dan Paladium. Ketika arus arus mengalir di dalam koil pemanas pada temperatur tentu, oksigen menarik elektron-elektron dari donor pada permukaan semikonduktor, yang menciptakan sebuah potensial penghalang (barrier potential). Karena potensial penghalang mengakibatkan pergerakan elektron bebas menjadi lebih sulit, akibatnya resistansi listrik elemen semikonduktor meningkat. Gambar 8(b) memperlihkan kurva penurunan resistansi sensor terhadap konsentrasi beberapa gas yang diuji. Sensor gas menghadirkan resistansi listrik pada jumlah gas uji di dalam udara. Sensitivitas sensor dapat dipengaruhi oleh temperatur ambient dan kelembaban relatif. Oleh karena itu, diperlukan kompensasi ketika diinginkan deteksi yang presisi.



Gambar 8-1. Konstruksi sensor gas dan karakteristiknya



37



A. Deteksi Gas (Tujuan: Memahami karakteristik sensor gas dan aplikasinya) PERALATAN     



OP Amp Unit OU-6801 Tracking Power Supply (0 ~ ± 20V) Sensor Unit SU-6807B Analog Multimeter Gas Lighter (without battery or flint)



PROSEDUR 1. Siapkan Power Supply (±15V) dan jaga power OFF. Rangkai seperti pada Gambar 8-2. 2. Ukur resistansi yang melintasi pin 6 dan pin 8, atau pin 4 dan pin 7, dari sensor gas di dalam Sensor Unit dan catat nilainya pada Tabel 1. 3. Hubungkan pin 1 ke pin 2 sedemikian sehingga tegangan pemanas dapat diterapkan ke pemanas. Juga hubungkan sebuah multimeter (Rx10 k) melintasi pin 6 dan pin 8. 4. Hidupkan Power Supply. Segera baca nilai resistansi, dan catat pada Tabel 1. Lanjutkan ukur resistansi pada setiap menit dan catat nilai-nilai yang diperoleh pada Tabel 1. Dalam kasus resistansi berubah terhadap waktu, jelaskan mengapa! 5. Matikan power, dan susun kembali set-up seperti pada Gambar 8. Set rantang pengukuran multimeter pada 10 ~ 15 VDC.



Gambar 8-2. Rangkaian respon sensor gas Tabel 1. Nilai resistansi sensor pada kondisi berbeda Resistansi Resistansi Sensor Resistansi Sensor setelah dihidupkan Sensor sesaat setelah Setelah Setelah Setelah Setelah pada OFF dihidupkan (ON) 1/2 mnt 1 mnt 2 mnt 3 mnt ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... .......



38



6.



Hidupkan saklar power kembali. Ambil pembacaan multimeter setelah setengan menit, satu, dua dan tiga menit dan catat pada Tabel 2. di dalam kolom “Clean air”



Gambar 8-3. Rangkaian deteksi gas LPG atau LNG Tabel 2. Data respon sensor gas Setelah 1/2 menit Clean air LPG (or LNG) Recover 7.



8.



Setelah 1 menit



Setelah 2 menit



Setelah 3 menit



Dengan menggunakan korek gas tanpa flint atau baterai, keluarkan gas menuju sensor gas. Ambil pembacaan multimeter lagi, dan catat nilainya pada Tabel 2 dalam kolom “LPG (atau LNG)” Hentikan mengeluarkan gas, bebaskan gas sekitar sensor paling tidak sekitar 10 detik. Catat nilai pembacaan multimeter pada Tabel 2 dalam kolom “Recover”.



Tugas 1. Berikan penjelasan terhadap data pengamatan pada tabel 1. Jelaskan kenapa terjadi perubahan nilai resistansi sensor? 2. Berikan penjelasan terhadap data pengamatan pada tabel 2. 3. Apakah nilai tegangan ketika recover sama pada saat clean air untuk menit yang sama? Jika tidak berikan penjelasan anda. B. Alarm Gas Gambar 8-4(a) memperlihatkan tipe sensor gas berbeda. Gambar 8-4(b) memperlihatkan rangkaian sensor menggunakan rangkaian jembatan dengan dua koil. Koil “C” tidak diekspose langsung dengan sampel gas, sementara koil “D” dibuat kontak langsung dengan gas uji. Oleh karena itu, ketika terdapat gas, resistansi koil “D” berubah, mengakibatkan situasi ketidak setimbangan dalam rangkaian jembatan.



39



Sinyal yang dideteksi diumpankan ke Differential Amplifier untuk pengolahan. Sumber DC dicatu pada sensor. Daya pemanas (TGS-813) adalah 5V dari sumber supply +15V. Level deteksi dapat dipreset dengan mengatur nilai resistor pada input berbeda.



Gambar 8-4. Tipe sensor (a) dan rangkaian detektor jembatan PERALATAN    



OP Amp Unit OU-6801 Tracking Power Supply (0 ~ ± 20V) Sensor Unit SU-6807B Gas Lighter (without battery or flint)



PROSEDUR 1.



2.



3.



4.



5.



40



Jaga saklar Power Supply OFF. Rangkaikan Sensor Unit seperti pada Gambar 8-5. Perhatikan koneksi-koneksi pada Diffrential Amp., komparator dan rangkaian alarm. Set Alarm Level ke maksimum (10), dan nyalakan Power Supply. Cek Level Indicator. Indikator LED harus tidak menyala jika udara bersih (tidak ada gas uji). Biarkan sekitar dua menit. Kosongkan (disharge) sejumlah kecil gas dari pemantik (korek) gas ke sensor gas beberapa kali, dan amati Level Indicator. Cek jika indikasi Level Indicator berubah terhadap kenaikan jumlah gas. Hentikan pengosongan gas. Tunggu hingga Level Indicator mengindikasikan 0. Ubah Alarm Level ke nilai-nilai diantara 3 ke 5. Ulangi langkah #3. Ketika alarm mati, meningkatkan Alarm Level atau tekan tombol Repeat untk mematikan alarm. Atur offset DC pada Comparator dan amati output Comparator. Sebagai fungsi kerapatan (jumlah) gas.



Gambar 8-5. Rangkaian sensor gas Tugas 1. Jelaskan fungsi dari tegangan offset pada rangkaian komparator. 2. Jelaskan proses menyalanya LED indikator ketika konsentrasi gas terus ditambahkan dan jelaskan pula kenapa LED indikator akan mati ketika konsentrasi gas berkurang pada level tertentu. 3. Jelaskan fungsi dari pengaturan Alarm Level.



41



PRAKTIKUM 9 SENSOR MEDAN MAGNET TUJUAN Memahami prinsip kerja dan aplikasi Sensor Hall TEORI Jika sebuah spesimen (logam atau semikonduktor) membawa arus listrik I ditempatkan tegak lurus medan magnet B, medan listrik atau tegangan listrik (Tegangan Hall), diinduksi melintasi sisi „a” dan “b”, pada (Gambar 10-1). Medan listrik ini tegak lurus arah arus I dan medan B. Fenomena ini disebut effek Hall.



Gambar 10-1. Sensor Hall dan Efek Hall Elemen resistansi magnetik (magneto-resistance) berupa semikonduktor yang membawa arus ditempatkan di dalam medan magnet. Sebuah gaya akan dikerahkan pada pembawa-pembawa arus dengan megabaikan apakah pembawa arus tersebut elektron bebas arau hole. Gaya ini akan memodifikasi lintasan pembawa arus sepanjang lintasan yang dikerahakan. Karena pembawa arus harus melintasi jarak yang lebih panjang, spesimen akan memperlihatkan resistansi yang meningkat. Piranti efek Hall digunakan dalam konfigurasi 4-terminal yang diseimbangkan, atau dengan rangkaian kompensasi, seperti pada Gambar 10-2.



Gambar 10-2. Piranti Hall 4-terminal dan resistor magnetik 2-terminal



42



PERALATAN     



Sensor Unit SU-6809 OU-6801 Tracking Power Supply (0~±20V) Digital multimeter Bar magnet



PROSEDUR 1.



2. 3. 4.



5.



Dengan power OU-6801 dan Power Supply OFF, hubungkan peralatan seperti pada Gambar 10-2. Set Digital Multimeter pada rentang 20VDC. Jaga semua saklar, saklar Motor dan tiga saklar sensor, pada posisi OFF. Hidupkan power OU-6801 dan Power Supply. Set saklar Motor ke minimum (0), dan hidupkan hanya saklar power pada sensor Hall. Tempatkan objek yang akan dideteksi pada tepi rotating disk dan hidupkan Motor. Putar tombol Speed secara perlahan searah jarum jam, dan amati saat LED menyala. Stop disk ketika LED menyala, dan ukur tegangan output.



Gambar 10-2. Rangkaian sensor medan magnet 6.



Arahkan sebuah magnet ke sensor Hall. Ubah jarak antara magnet dan sensor, dan ukur tegangan output pada setiap jarak, catat pada Tabel di bawah. Jarak (mm) 3 6 9 12 15 Output (V)



7.



Ulangi Step 6 dengan sebuah Magnet batang. Balik polaritas magnet relatf terhadap sensor, dan amati perubahan output.



Tugas 1. Tuliskan jenis material yang menyebabkan LED menyala dan jelaskan kenapa. 2. Berikan penjelasan anda berdasarkan data pengamatan langkah ke-6 dan ke7.



43



PRAKTIKUM 10 SENSOR KELEMBABAN TUJUAN Mengukur karakteristik sensor kelembaban dan aplikasinya PERALATAN -



Termokopel Termistor Multimeter Termometer digital



TEORI Konstruksi sebuah sensor kelembaban populer diperlihatkan pada Gambar 9-1. Di pusat adalah elemen sensor yang dikonstruksi di dalam lubang mikroskopik. Lubang-lubang ini dibuat dari oksida-oksida logam MgCr2O4 dan TiO2. Elemen sensor diapit oleh dua elektroda yang dibuat dari RuO 2. Akhirnya, elemen pemanas mengelilingi struktur sebelah dalam.



Gambar 10-1.Konstruksi sensor kelembaban (a) dan Hubungan RH vs. Resistansi (b) PERALATAN     



OP Amp Unit OU-6801 Tracking Power Supply (0 ~ ± 20V) Analog Multimeter Thermometer Standar (STD) humidity meter



PROSEDUR 1. Jaga catu daya (power supply) OFF. Rangkaikan Sensor Unit seperti pada Gambar 9-2.Set multimeter pada 10 VDC. 2. Hidupkan Power, dan biarkan sekitar 1 menit untuk warm-up. Bandingkan pembacaan kelembaban relatif dari Sensor Unit dengan Meter Kelembaban Standar (STD). Dalam kasus Sensor Unit tidak cocok (match) dengan Meter Standar, atur CAL untuk mengkoreksi.



44



Gambar 10-1. Rangkaian sensor kelembaban 3. Ambil pembacaan multimeter, temperatur dan kelembaban, dan catat nilainilai tersebut untuk “keadaan alami” di dalam Tabel 1. 4. Bawa Meter Kelembaban STD ke Sensor Unit, dan semprotkan uap air hingga Meter STD mengindiksikan kira-kira kelembaban 50%. Ambil pembacaanpembacaan seperti pada Step 3, dan catat nilai-nilai tersebut untuk kolom kelembaban relatif (RH) 50%. 5. Ulangi Step 4 pada kelembaban (R) 80%. 6. Dari data yang diperoleh, diskusikan penyebab dari kesalahan (error) yang terjadi pada Sensor Unit. Tabel 1. Data sensor kelembaban Natural state



Humidity 50% Humidity 80%



Ambient Temp. Multimeter Indication SU-6808 Humidity Indication Humidity Indication by a STD meter 7. Dari data pada Tabel 1, jelaskan mengapa laju perubahan pembacaan meter berbeda antara multimeter dan sensor kelembaban. Tugas 1. Jelaskan fungsi dari langkah ke-2. 2. Jelaskan kenapa ketika sensor diberikan uap air maka pembacaan kelembaban akan berubah. 3. Dari data pada Tabel 1, jelaskan mengapa laju perubahan pembacaan meter berbeda antara multimeter dan sensor kelembaban



45