Sensor dan Transducer

Pengukuran merupakan subsistem yang penting pada sistem mekatronika. Fungsi utamanya adalah untuk mengumpulkan informasi dari status sistem dan mengirimnya ke micro-processor untuk mengontrol seluruh sistem.

Sistem pengukuran terdiri dari sensor, transducer dan perangkat pengolahan sinyal. Saat ini berbagai jenis elemen dan perangkat pengukuran terdapat di pasaran. Perancang sistem mekatronika akan mengalami kesulitan dalam menentukan sensor dan transducer yang cocok untuk aplikasi yang akan dibangun. Sehingga pembelajaran tentang prinsip kerja sensor dan transducer menjadi sangat penting. Pertimbangan yang terperinci dari teknologi pengukuran diluar dari cakupan buku ini. Pembaca disarankan untuk membaca Sensors for Mechatronics oleh Paul P. L. Regtien.

Sensor pada proses manufaktur pada dasarnya berfungsi untuk melaksanakan operasi produksi dan memonitor aktivitas secara otomatis. Teknologi sensor memiliki kelebihan dalam merubah proses manufaktur konvensional menjadi sistem yang modern.

  1. Sensor dapat memperingatkan operator sistem apabila terjadi kesalahan pada sub-unit dari sistem manufaktur. Hal ini dapat mengurangi lama penghentian sistem dengan melakukan langkah-langkah pencegahan.
  2. Mengurangi kebutuhan akan pekerja yang berpengalaman dan terampil.
  3. Kualitas produk dengan presisi yang sangat baik bisa dicapai.

Sensor

Sensor didefinisikan sebagai elemen yang menghasilkan sinyal berkaitan dengan kuantitas yang akan diukur [1]. Menurut Instrument Society if America, sensor dapat didefinisikan sebagai "Perangkat yang menyediakan keluaran atas reaksi pada suatu pengukuran yang spesifik". Keluaran atau output disini biasanya merupakan suatu besaran elektronik dan pengukuran dilakukan pada besaran fisis, kondisi atau properti. Contohnya pada suatu kasus, sebuah variable inductance displacement, besaran yang diukur adalah perpindahan (displacement) dan sensor merubah masukan atau input perpindahan menjadi perubahan induktansi.

Transducer

Transducer didefinisikan sebagai elemen merubah besaran ukur tertentu menjadi output yang dapat dipergunakan dengan menggunakan prinsip transduksi. Dapat juga didefinisikan sebagai perangkat yang merubah sinyal dari suatu bentuk energi ke bentuk yang lainnya.

Suatu kawat campuran (tembaga-nikel 55-45%) dapat disebut sebagai sensor karena variasi dari perpindahan mekanis dapat berubah bergantung pada perubahan hamabatan listrik. Kawat ini dapat menjadi transducer apabila elektroda dan mekanisme input-output dipasang. Sehingga pada kasus ini sensor adalah transducer.

Spesifikasi Sensor/Transducer

Transducers atau sistem pengukuran bukan merupakan sistem yang sempurna. Perancang mekatronika harus mengetahui kemampuan dan batasan dari transducer atau sistem pengukuran untuk mengetahui kinerja sistem tersebut. Terdapat beberapa parameter untuk sistem pengukuran ini. Parameter-parameter ini disebut dengan spesifikasi sensor.

Spesifikasi sensor memberi informasi pada pengguna mengenai penyimpangan dari perilaku sensor yang ideal. Berikut jenis-jenis spesifikasi dari suatu sensor/transducer.

  1. Range

    Range dari suatu sensor mengindikasikan batas dari nilai minimum dan maksimum yang dapat menjadi input. Contohnya sebuah thermocouple untuk pengukuran temperatur memiliki range 25-225 °C.

  2. Span

    Span merupakan selisih antara nilai input minimum dan maksimum. Seperti contoh sebelumnya, thermocouple memiliki span sebesar 200 °C.

  3. Error

    Error merupakan selisih antara hasil dari pengukuran dan nilai sebenarnya dari besaran yang diukur. Pada suatu sensor terbaca nilai pengukuran sebesar 29,8 mm namun nilai sebenarnya adalah 30 mm, sehingga nilai error sebesar -0,2 mm.

  4. Akurasi

    Akurasi menentukan seberapa dekat antara nilai pengukuran dengan nilai sebenarnya dari besaran yang diukur. Biasanya diekspresikan dalam bentuk prosentase dari range output. Suatu piezoelectric transducer digukanan untuk mengevaluasi fenomena tekanan yang dinamis seperti ledakan, getaran, atau tekanan pada motor, mesin roket, kompresor, dan perangkat tekanan lainnya dapat mengukur tekanan diantara 0,1 dan 10.000 psig (0,7 KPa sampai 70 MPa). Apabila pada spefisikasinya disebutkan memiliki akurasi sekitar ±1% skala penuh, maka pembacaan pada sensor akan berkisar pada nilai ±0,7 MPa.

  5. Sensitivitas

    Sensitivitas pada sensor didefinisikan sebagai rasio dari perubahan nilai output dari perubahan nilai input per unit yang data membuat nilai output berubah. Contohnya thermocouple umumnya memiliki sensitivitas sebesar 41 µV/°C.

  6. Non-linearitas

    Non-linearitas mengindikasikan simpangan maksimum dari kurva pengukuran dengan kurva ideal.

    Non-linearity error

    Gambar 1 menunjukkan hubungan antara kurva ideal, kurva pengukuran, dan nilai error maksimum. Linearitas biasasnya diekspresikan dengan presentase non-linearitas, yang didefinisikan sebagai berikut:

    Non-linearitas (%) = Simpangan maksimum pada input / Input maksimum

  7. Histerisis

    Histerisis pada sensor merupakan error yang ditentukan oleh perbedaan maksimum pada output disetiap nilai pengukuran dalam range pengukuran sensor. Gambar 2 menunjukkan histerisis error yang dapat terjadi pada pengukuran dengan menggunakan thermocouple. Nilai histerisis biasanya diekspresikan sebagai presentasi dari range input.

    Kurva histerisis

  8. Resolusi

    Resolusi merupakan nilai perubahan terkecil pada input yang dapat dideteksi pada sinyal output. Resoulusi dapat diekspresikan sebanding dengan pembacaan skala penuh atau dalam bentuk absolut. Contohnya sebuah sensor LVDT dapat mengukur perpindahan hingga 20 mm memberikan output antara sampai dengan 100 maka resolusi dari perangkat sensor ini sebesar 0,2 mm.

  9. Stabilitas

    Stabilitas merupakan kemampuan sensor untuk memberikan nilai output yang sama dalam pengukuran dengan input yang konstan dalam suatu rentan waktu. Istilah drift digunakan untuk mengindikasikan perubahan dalam output pada suatu rentan waktu. Resolusi diekspresikan dalam bentuk presentase dari full range outout.

  10. Dead band/time

    Dead band pada transducer merupakan range input dimana tidak ada nilai output. Sedangkan dead time pada sensor merupakan jangka waktu pada sensor dari tidak adanya nilai output hingga ada respon untuk nilai output.

  11. Repeatability

    Repeatability menentukan kemampuan sensor dalam memberikan nilai output yang sama pada aplikasi berulang dengan nilai input yang sama. Biasanya diekspresikan dalam presentasi full range output:

    Repeatability = (maksimum - minimum) x 100 / full range

  12. Response Time

    Response time menjelaskan bagaimana laju perubahan pada output dengan perubahan step pada pengukuran. Selalu ditentukan dengan indikasi input step dan output range untuk mendefinisikan response time.

Klasifikasi Sensor

Sensor dapat diklasifikasikan dalam beberapa jenis grup menurut pada besaran ukur, bidang penggunaan, prinsip konversi, domain energi, dan pertimbangan termodinamika. Berikut klasifikasi lengkap dari sensor untuk aplikasi manufaktur:

  1. Sensor Perpindahan, posisi, dan jarak
    • Potensiometer
    • Strain-gauged element
    • Elemen kapasitif
    • Differential transformers
    • Sensor Eddy-current
    • Saklar jarak induktif
    • Enkoder optik
    • Sensor pneumatik
    • Sensor Efek Hall
  2. Laju dan pergerakan
    • Incremental encoder
    • Tachogenerator
    • Sensor pyroelektrik
  3. Gaya
    • Strain gauge load cell
  4. Tekanan fluida
    • Diaphragm pressure gauge
    • Pressure tubes
    • Sensor piezoelektrik
    • Sensor taktil
  5. Aliran cairan
    • Orifice plate
    • Turbine meter
  6. Tingkat cairan
    • Floats
    • Differential pressure
  7. Temperatur
    • Bimetallic strips
    • Detektor hambatan temperatur
    • Thermistor
    • Thermo-dioda dan transistor
    • Thermocouple
    • Sensor cahaya
    • Foto dioda
    • Foto resistor
    • Foto transistor

Kuis

  1. Jelaskan bagaimana spesifikasi sensor sebelum menggunakan thermocouple untuk aplikasi tungku pembakaran.
  2. Jelaskan perbedaan antara span dan range dari suatu sistem transducer.
  3. Apa yang dimaksud dengan kesalahan non-linear dan apa perbedaannya dengan kesalahan histerisis.
  4. Jelaskan spesifikasi dari transducer dengan informasi sebagai berikut: Thermocouple dengan sensitivitas 0.039 mV/°C pada cold junction 0 °C.

Referensi

  1. Boltan, W., Mechatronics: electronic control systems in mechanical and electrical engineering, Longman, Singapore, 1999.