Dokumen tersebut membahas tentang mata kuliah Sistem Sensor yang diampu oleh Drs. Wildian, M.Si. Mata kuliah ini akan membahas tentang sensor sebagai komponen elektronik penting dalam sistem instrumentasi dan kontrol, prinsip kerja berbagai jenis sensor, serta karakteristik dan aplikasi sensor.
1. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
(Dengan nama Allah yang Mahapengasih Mahapenyayang)
Hampir sebagian besar aktivitas kehidupan kita saat ini
bergantung pada alat-alat elektronik. Dan, hampir sebagian
besar peralatan elektronik—baik sebagai alat ukur maupun alat
kontrol—memerlukan komponen elektronik bernama sensor.
Itulah sebabnya kita perlu mengenal lebih jauh tentang sang
‘penghubung’ antara peralatan elektronik dan dunia fisis ini.
Selama satu semester ke depan, kita akan membahas ‘ujung
tombak’ sistem instrumentasi elektronik ini dalam matakuliah……
(3 sks)
Jurusan Fisika Universitas Andalas
2. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Tujuan Umum
• Memberikan gambaran tentang prinsipprinsip fisika dasar yang membentuk
landasan kerja sensor, sehingga mampu
merangsang kreativitas mahasiswa untuk
memilih cara-cara alternatif yang lebih
sederhana dalam merancang suatu
sistem pengukuran maupun sistem
kontrol.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
3. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Sinopsis
Dalam kuliah ini akan dibahas tentang:
• Pengertian dasar (definisi),
klasifikasi, dan prinsip-prinsip fisis
penginderaan (physical principles of
sensing)
• Karakteristik, prinsip kerja, dan
aplikasi beberapa macam sensor.
• Pengertian tentang sensor cerdas
(smart sensor).
Jurusan Fisika Universitas Andalas
4. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Buku Acuan
• Fraden, J., Handbook of Modern Sensors:
Physics, Designs, and Applications,
Second Edition, Springer-Verlag New York,
Inc., New York, USA, 1996.
• Carr, J.J., Sensor and Circuits, Prentice
Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993.
• Gopel, W., Hesse, J., Zemel, J. N., Sensor,
Fundamentals and General Aspects, Vol.
1, VCH Verlanggesellschaff, Weinheim,
1989.
• Gopel, W., Hesse, J., Zemel, J. N., Sensor,
Mechanical Sensors, Vol. 7, VCH
Verlanggesellschaff, Weinheim, 1992.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
5. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Aturan
(Kesepakatan Bersama)
•
•
Sistem Penilaian:
- Tugas = 15%
- Kuis = 15%
- UTS = 35%
- UAS = 35%
Sanksi:
- Mahasiswa tidak diperkenankan mengikuti kuliah
pada hari itu jika terlambat 15 menit.
- Mahasiswa tidak diperkenankan mengikuti UAS jika
kehadirannya selama 1 (satu) semester kurang dari 75%.
- Mahasiswa yang kedapatan/terdeteksi melakukan kecurangan
dalam ujian, baik yang memberi maupun yang menerima, akan
mendapatkan sanksi nilai 0 (nol) untuk nomor soal ybs.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
6. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Definisi
•
Sensor, berasal dari kata “sense” (= merasakan atau mengindera),
adalah
“Suatu piranti (device) yang menerima sinyal atau
“Suatu piranti (device) yang menerima sinyal atau
rangsangan (stimulus) dan merespon sinyal tersebut
rangsangan (stimulus) dan merespon sinyal tersebut
dengan mengonversinya menjadi sinyal elektris”. (Fraden,
dengan mengonversinya menjadi sinyal elektris”. (Fraden,
2004)
2004)
•
Proses pengonversian besaran fisis menjadi sinyal elektris yang
dapat diumpankan ke instrumen elektronik disebut transduksi
(transduction).
Jurusan Fisika Universitas Andalas
7. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Definisi (lanjutan)
•
Rangsangan (stimulus) = “besaran, sifat (property), atau kondisi
fisis yang diindera dan dikonversi menjadi sinyal elektris (electrical
signal).”
•
Besaran, sifat (property), atau kondisi fisis yang diterima sensor
itu dapat berupa: cahaya, temperatur, perpindahan (displacement),
aliran fluida atau gas, beda potensial listrik, dan lain sebagainya.
Jadi, bentuk fisis rangsangan itu dapat bersifat: mekanis
(mechanical), panas (thermal), magnetik (magnetic), listrik (electric),
optis (optical), kimia (chemical),…
•
Sinyal elektris = sinyal yang dapat disalurkan (chanelled),
dikuatkan (amplified), dan dimodifikasi (modified) oleh piranti
elektronik.
Yang termasuk sinyal elektris : tegangan, arus, muatan listrik,
frekuensi, kapasitansi, resistansi, lebar pulsa, dlsb.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
8. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Sensor, Elemen Sensor & Sistem Sensor
Menurut Hesse dan Kuttner (1983) serta Scholz (1986) dalam buku Sensors, A
Comprehensive Survey, Volume 1:
• Elemen sensor (alias sensor elementer) = elemen utama (the primary
element) suatu sensor.
Contoh:
- Chip sensor tekanan dari bahan semikonduktor.
- Strain gauge.
•
Sensor = elemen sensor yang telah dilengkapi dengan ‘rumah’ dan koneksi
elektrisnya.
•
Sistem Sensor = sensor yang telah dilengkapi dengan pemeroses sinyal
(signal processing)—analog maupun digital.
Catatan:
• Untuk keperluan praktis, perbedaan antara sensor dan elemen sensor ini
tidak dipermasalahkan. Begitu pula perbedaan antara sensor dan sistem
sensor. Apalagi dengan adanya konsep sensor cerdas (smart or intelligent
sensors), pembedaan itu menjadi semakin tidak jelas.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
9. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Transduser: Sensor & Aktuator
•
Transduser = piranti yang mengonversi suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya (Fraden,
1996).
•
Dalam suatu sistem instrumentasi elektronik, transduser dapat dikatagorikan sebagai sensor
ataupun aktuator.
- Sensor merupakan transduser masukan (input transducer)—yaitu transduser yang mengubah
besaran fisis menjadi besaran elektris.
Contoh: mikrofon—mengubah getaran akustik mekanis menjadi sinyal listrik.
- Aktuator merupakan transduser keluaran (output transducer)—yaitu transduser yang mengubah
besaran elektris menjadi besaran fisis dalam bentuk gerak (motion) atau tindakan (action).
Contoh: loudspeaker—mengubah (transduces) sinyal frekuensi audio yang sudah dalam bentuk
sinyal listrik menjadi medan magnetik yang berubah-ubah, sehingga menyebabkan terjadinya
getaran akustik mekanis.
Loudspeaker
Penguat
Mikrofon kondenser
Jurusan Fisika Universitas Andalas
10. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Sensor & Sistem Instrumentasi Elektronik
•
Sensor merupakan ujung tombak suatu sistem instrumen elektronik
(terutama pada sistem pengukuran dan sistem kontrol).
•
Sensor membantu instrumen elektronik untuk “mendengar,” “melihat,”
“mencium” (“smell”), “mengecap” (“taste”), dan “menyentuh” (“touch”) dunia
fisis dengan mengubah/mengonversi sinyal fisis atau kimia suatu obyek
menjadi sinyal elektris.
Catatan:
Dalam sistem instrumentasi,
eksitasi = catudaya
Jurusan Fisika Universitas Andalas
11. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Dari Sensor ke Pengguna (User)
•
Sensor menerima rangsangan berupa besaran fisis dan kemudian
mengubahnya menjadi sinyal elektris.
•
Sinyal elektris ini boleh jadi sangat lemah (sehingga perlu dikuatkan) atau
mengandung noise yang cukup mengganggu (sehingga perlu ditapis).
Dengan kata lain, sinyal dari besaran fisis ini perlu dikondisikan terlebih
dahulu oleh pengondisi sinyal sebelum diproses lebih lanjut.
•
Jika pemerosesan sinyal dilakukan secara digital, maka sinyal elektris yang
umumnya bertipe analog ini harus diubah dulu ke bentuk digital dengan
menggunakan ADC (analog-to-digital converter).
•
Pengguna (user) pada diagram blok di atas adalah manusia. Oleh sebab itu,
keluaran sistem instrumen biasanya merupakan suatu tampilan visual,
seperti skala meteran ataupun pada layar monitor CRT (cathode ray tube);
atau bisa juga dalam bentuk audio seperti ucapan ataupun alarm.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
12. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Sensor Aktif & Sensor Pasif
• Sensor Aktif = sensor yang
memerlukan sumber listrik ac atau
dc dari luar (eksternal) untuk
dapat berfungsi.
Contoh:
Strain gauge (sensor tekanan)
perlu catudaya dc konstan +7,5 V.
Tanpa potensial eksitasi
eksternal, tak ada sinyal keluaran
dari sensor tsb.
•
Strain Gauge
Sensor Pasifif = sensor yang mampu menyediakan energinya sendiri
atau mengambil energi dari fenomena fisis yang hendak diukurnya.
Contoh:
Termokopel (sensor temperatur) dari panas yang diinderanya
dihasilkan tegangan.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
13. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Tahapan dalam Memilih Sensor
1.
Identifikasi besaran fisis (stimulus) yang hendak diukur.
2.
Spesifikasi besaran fisis tersebut.
3.
Pastikan keakuratan yang diperlukan, lamanya
pengujian/pengukuran, dan perilaku siklik sensor atau faktorfaktor lainnya.
4.
Pertimbangkan lingkungan di mana sensor akan ditempatkan.
5.
Jangan lupa mengalibrasi sensor. (Perhatikan interval dan tipe
pengalibrasiannya.)
Jurusan Fisika Universitas Andalas
14. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Klasifikasi Sensor
Menurut tipe energi yang dideteksinya, ada 6 (enam) bentuk energi yang
dapat dikonversi menjadi sinyal elektris, yaitu:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Energi Mekanik
Sinyalnya berupa gaya, tekanan, kecepatan, percepatan, dan posisi.
Energi Magnetik
Sinyalnya berupa intensitas medan magnetik, kerapatan fluks, dan
magnetisasi.
Energi Radiasi Elektromagnetik
Sinyalnya berupa besaran-besaran gelombang elektromagnetik
seperti intensitas, panjang gelombang, polarisasi, dan fasa.
Energi Radiasi Nuklir
Sinyalnya berupa intensitas radiasi.
Energi Panas (thermal)
Sinyalnya berupa temperatur, fluks kalor (heat flux), atau aliran kalor.
Energi Kimia
Sinyalnya berupa besaran internal zat seperti konsentrasi material
tertentu, komposisi, atau laju rekasi.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
15. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Jenis energi yang dapat dikonversi menjadi sinyal listrik
(Buchla & McLachlan)
Jenis energi
Contoh Sensor Keterangan
Mekanik
Strain gauge
Regangan sebanding dengan perubahan
resistansi
Magnetik
Sensor Efek
Hall
Arus yang mengalir di dalam konduktor
piranti Efek Hall menghasilkan
tegangan.
Radiasi
Elektromagnetik
Radiasi nuklir
Antena
Mengubah energi elektromagnetik menjadi
energi listrik (antena penerima).
Kamar Ionisasi Arus listrik di antara elektroda(Ionization
elektrodanya sebanding dengan radiasi
chamber)
pengionan (ionizing radiation).
Panas
Termokopel
Tegangan keluarannya sebanding dengan
selisih temperatur kedua kawat logam
yang digabungkan pada salah satu
ujungnya.
Kimia
Sensor pH
Ukuran konsentrasi ion hidrogen di dalam
suatu larutan.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
16. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Contoh TA dengan Sensor
Sistem Peringatan Dini Tsunami
Berbasis Mikrokontroler AT89S51
Dengan Sensor Fotodioda
Oleh:
Yustinar (06214055), S2.
Tensimeter Digital Berbasis
Mikrokontroler Dengan
Sensor Tekanan
MPX2100DP
Oleh:
Yeni Marnis (04135001), S1.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
17. Sistem Sensor
Tugas 1
No.
Nama Sensor/transduser
1.
Termokopel
2.
Termistor
3.
RTD
4.
LDR
5.
LED
6.
Fotodioda
7.
Sel Surya (Solar Cell)
8.
Mikrofon
9.
Loudspeaker
10.
Load Cell
11.
Strain Gauge
12.
Piezo-electric Crystal
13.
GMR
14.
LVDT
15.
Accelerometer
Jurusan Fisika Universitas Andalas
Besaran masukan
Drs. Wildian, M.Si.
Besaran keluaran
18. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Tahapan Pengonversian Sinyal
• Sebelum menghasilkan sinyal elektris, sebuah sensor
boleh jadi memiliki beberapa tahap pengonversian.
• Contoh:
Tekanan yang diberikan pada sensor optik-serat (fiberoptic) pertama-tama akan mengakibatkan regangan di
dalam serat tersebut, sehingga indeks biasnya berubah,
yang pada gilirannya mengakibatkan perubahan
menyeluruh dalam transmisi optis dan modulasi
kerapatan foton. Akhirnya, fluks foton terdeteksi dan
dikonversi menjadi arus listrik.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
19. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Sinyal Masukan & Sinyal Keluaran
• Sinyal masukan sensor = besaran fisis (variabel) yang
hendak diukur (lazim disebut measurand).
Contoh:
Tekanan di dalam aktuator hidrolik pesawat terbang.
Tekanan ini bervariasi dari 0 hingga 3000 psi.
• Sinyal keluaran sensor = sinyal listrik analog yang
dihasilkan sensor.
Contoh:
Tegangan 5 V sebagai representasi tekanan 3000 psi.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
20. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Karakteristik Sensor
Karakteristik sensor:
- Karakteristik statik
- Karakteristik dinamik
No.
Karakteristik
Statik
Dinamik
Fungsi transfer
2
Presisi
Tanggapan frekuensi
3
Resolusi
Tanggapan impuls
4
Sensitivitas
Tanggapan perubahan masukan
5
Linieritas
6
Kesalahan kalibrasi
7
Histeresis
8
Keluaran skala penuh
9
Saturasi
Kemampuan pengulangan
11
Dead band
12
Span
13
Drift
14
Impedansi keluaran
15
Karakteristik Dinamik
= Sifat-sifat sensor yang
berubah ketika merespon
sinyal masukan.
Akurasi
10
Karakteristik Statik
= Sifat-sifat sensor
setelah semua efek
peralihan (transient
effects) mencapai
keadaan stabil (steady
state).
1
Eksitasi
Jurusan Fisika Universitas Andalas
21. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Rentang
•
Rentang sensor = nilai maksimum dan nilai minimum parameter
(bersaran) masukan yang dapat diukur.
• Contoh:
NTC thermistor sensors are normally used for a temperature range
of -40°C to +300°C.
• Kurva karakteristik sensor diperlukan untuk mengetahui di mana
dan kapan sensor tersebut bisa digunakan secara linier.
NTC THERMISTORS
(http://www.epcos.com)
Jurusan Fisika Universitas Andalas
22. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Lebar-rentang
•
•
•
Lebar-rentang (span), disebut juga skala penuh masukan (input full scale,
disingkat FS), adalah rentang pada sumbu-x dari nol hingga nilai maksimum
yang aman digunakan.
Lebar-rentang sering dinyatakan sebagai daerah antara titik 0% dan titik
100%.
Lebar-rentang = selisih aljabar antara batas atas dan batas bawah rentang.
Lebar-rentang = Xmaks – Xmin
• Contoh:
Dalam rentang dua temperatur, -25oC hingga 100oC.
-25oC batas rentang bawah
100oC batas rentang atas
Lebar-rentang = 100oC – (-25oC) = 125oC
Jurusan Fisika Universitas Andalas
23. Sistem Sensor
Keluaran Skala Penuh
•
Keluaran skala penuh (full scale
output, FSO) adalah selisih
aljabar antara dua sinyal keluaran
dari nilai masukan maksimum dan
nilai masukan terendah yang
diterapkan terhadap sensor.
•
FSO haruslah mencakup semua
deviasi (yang diukur) dari fungsi
transfer ideal.
Fraden, J., 2004, Handbook of modern sensors :
physics, designs, and applications.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
Drs. Wildian, M.Si.
24. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Titik Nol
• Titik nol (the zero point) merupakan hal yang
penting diketahui ketika kita hendak
mengumpulkan data pengukuran.
• Titik nol adalah titik awal (the starting point) di
mana suatu variabel hendak diukur.
• Contoh:
Sensor tekanan (a pressure gauge) tak dapat dinol-kan pada tekanan atmosfer. Artinya, titik nolnya tidaklah nol.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
25. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Offset
Offset (gelinciran) = nilai
keluaran yang sudah
terlebih dahulu ada ketika
nilai masukannya masih
nol (belum ada).
Offset bukanlah suatu
keadaan yang diinginkan,
dan biasanya dipandang
sebagai suatu besaran
penyimpangan (an error
quantity).
Namun, apabila offset
memang sengaja
diadakan (deliberately set
up), penyimpangan ini
disebut bias.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
NB: Istilah “bias” di sini harap dibedakan
dengan pengertian “bias” pada istilah “forward
biased” maupun “reverse biased”—yang
berarti pemberian panjar alias tegangan.
26. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Fungsi Transfer
•
Hal terpenting yang perlu kita ketahui ketika mengkarakterisasi sebuah
sensor adalah fungsi transfernya.
•
Fungsi transfer (fungsi alih) = fungsi yang memperlihatkan hubungan
antara sinyal keluaran sensor (berupa sinyal elektris) dan sinyal
masukannya (stimulus/besaran fisis).
Besaran fisis (masukan)
Sinyal elektris (keluaran)
•
Sinyal masukan sensor dapat berupa temperatur, intensitas cahaya,
kecepatan, gaya, dlsb.
•
Sinyal keluaran sensor dapat berupa tegangan, resistansi, kapasitansi, dlsb.
[Catatan: Sinyal keluaran sensor (resistansi, kapasitansi, frekuensi,…)
umumnya dimodifikasi ke bentuk tegangan.]
Jurusan Fisika Universitas Andalas
27. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Ragam Bentuk Fungsi Transfer
Fungsi transfer dapat berupa:
y = a + bx
• Hubungan linier sederhana:
a dan b bernilai konstan, dengan a = offset (gelinciran), yaitu sinyal
keluaran pada saat sinyal masukannya nol, dan b adalah slope (=
kemiringan suatu garis lurus), yang sering juga disebut sensitivitas
(sensitivity).
•
Hubungan yang tak-linier, seperti:
- fungsi logaritmik:
y = a + b ln x
- fungsi eksponensial:
y = a e kx
- fungsi pangkat:
y = a0 + a1 x k
dengan k adalah suatu bilangan konstan.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
28. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Contoh Fungsi Transfer
•
Berikut ini adalah fungsi transfer sensor tekanan MPX2100DP yang digunakan sebagai
sensor tekanan darah pada rancang-bangun Tensimeter Digital (Yeni Marnis, Skripsi S1,
2009), dengan x adalah tekanan yang diterima sensor (dalam kPa), dan y adalah sinyal
keluaran sensor berupa tegangan (dalam mV).
Fungsi transfer pada
grafik tsb
Tegangan (mV)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-15
(y = 2,5019 x – 0,1472)
menginformasikan
bahwa sensor ini
mengonversi setiap
perubahan tekanan
sebesar 1 kPa
menjadi perubahan
tegangan sebesar
kira-kira 2,5 mV.
y = 2.5019x - 0.1472
R 2 = 0.9998
10
35
60
Tekanan (kPa)
Jurusan Fisika Universitas Andalas
85
110
Jadi, sensitivitas
sensor tsb adalah
2,5019 mV/kPa, dan
gelincirannya adalah
-0,1472 mV.
29. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Fungsi Transfer yang Tak-linier
• Untuk fungsi transfer yang tak-linier, sensitivitas bukan
merupakan bilangan tetap sebagaimana yang berlaku
pada hubungan linier. Dalam hal ini
dy ( x0 )
b=
dx
• Sensor yang tak-linier dapat dipandang linier dalam
suatu rentang tertentu yang terbatas. Di luar rentang
tersebut, fungsi transfer yang tak-linier itu dapat
dimodelkan oleh beberapa garis lurus. Cara ini disebut
aproksimasi piece-wise.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
30. Sistem Sensor
Linieritas
Drs. Wildian, M.Si.
•
Linieritas (linearity) atau kelinieran = kedekatan kurva kalibrasi
terhadap suatu garis lurus tertentu.
•
Istilah “kelinieran” pada kenyataannya berarti “ketaklinieran”
(nonlinearity).
•
Ketaklinieran = deviasi maksimum (L) suatu fungsi transfer riel dari
garis lurus hampiran (approximation straight line).
•
Ketaklinieran dinyatakan dalam % FSO, atau dalam bentuk nilai
terukurnya, misalnya dalam kPa atau 0C.
•
Cara menentukan ketaklinieran:
- Menggunakan titik-titik terminal (terminal points)
- Menggunakan metoda kuadrat terkecil (method of least squares)
- Menggunakan perangkat-lunak Microsoft Office EXCEL.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
31. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Menggunakan Titik-titik Terminal
1.
2.
Tentukan nilai-nilai keluaran
pada nilai masukan tertinggi
dan nilai masukan terendah.
Gambarkan suatu garis lurus
yang melalui kedua titik ini
(garis 1).
Di dekat titik-titik terminal,
kesalahan ketaklinieran-nya
paling kecil, dan menjadi lebih
besar pada titik-titik yang
berada di antara kedua titik tsb.
Garis 2 adalah garis lurus
paling cocok.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
Fraden, J., 2004, Handbook of modern sensors :
physics, designs, and applications.
32. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Menggunakan Metoda Kuadrat Terkecil
• Ukurlah beberapa (n) nilai
keluaran pada nilai-nilai
masukan dalam suatu
rentang yang lebar; lebih
disukai dalam rentang skala
penuh (FSO).
• Untuk regresi linier,
gunakanlah rumus-rumus
berikut untuk menentukan
titik perpotongan, a, dan
kemiringan (slope), b, dari
garis lurus paling cocok tsb
(the best-fit straight line):
Jurusan Fisika Universitas Andalas
y ∑ x 2 − ∑ x ∑ xy
a=∑
n∑ x 2 − (∑ x ) 2
n∑ xy − ∑ x ∑ y
b=
2
2
n ∑ x − (∑ x )
x = nilai masukan (input)
y = nilai keluaran (output)
33. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Menggunakan EXCEL
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Buka Microsoft Office Excel
Ketikkan nilai-nilai masukan (x) pada kolom A dan nilai-nilai
keluaran (y) pada kolom B. (Boleh juga kolom-kolom lain, asalkan
kolom x lebih dahulu dari kolm y.)
Blok nilai-nilai tsb, lalu klik Chart Wizard pada Toolsbar.
Pilih XY (Scatter) yang terdapat pada Standard Types, lalu klik
Next.
Ketik judul grafik pada Chart Title [misalnya: Karakteristik Sinyal
Keluaran Sensor], nama besaran masukan [misal: Temperatur ( oC)],
dan nama besaran keluaran [misal: Tegangan (mV)], lalu klik Next,
dan selanjutnya klik Finish.
Arahkan kursor ke salah satu titik data pada kurva, lalu klik kanan
dan pilih Add Trendline.
Pilih “Linear” pada Type, lalu klik Options dan pilih “Display
equation on chart” serta “Display R-squared value on chart”
sehingga muncul persamaan linier dan nilai R2 pada grafik.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
34. Sistem Sensor
0
0
1
2
2
4.3
3
6.1
4
7.9
5
10
6
11.5
7
14.5
8
16.2
9
18
10
Hasilnya….
Y (mV)
20.1
•
Karakteristik Sinyal Keluaran Sensor
25
Tegangan (mV)
X (oC)
Drs. Wildian, M.Si.
y = 2.0055x + 0.0273
20
R2 = 0.9986
15
Series1
10
Linear (Series1)
5
0
0
5
10
Temperatur (oC)
15
R = koefisien korelasi
Persamaan linier (fungsi transfer) dari karakteristik sensor tsb:
y = 2,0055 x + 0,0273
Offset
: a = 0,0273 mV
Jurusan Fisika Universitas AndalasSensitivitas : b = 2,0055 mV/oC
35. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
desibel (dB)
• Untuk sensor-sensor dengan karakteristik respon yang
sangat lebar dan tak-linier, rentang dinamik stimulus
masukan sering dinyatakan dalam desibel (dB), yaitu
ukuran logaritmik nisbah (ratio) daya atau pun gaya
(tegangan).
• Desibel = 10 kali log nisbah daya:
P
1 dB = 10 log 2
P
1
• Desibel = 20 kali log gaya (atau arus, atau tegangan):
s2
1 dB = 20 log
s1
Jurusan Fisika Universitas Andalas
36. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Sensitivitas
•
Sensitivitas sensor
= masukan minimum parameter fisis yang akan mengakibatkan
perubahan keluaran yang dapat terdeteksi, atau …
= perubahan tegangan keluaran sebagai akibat perubahan nilai
parameter masukannya, atau…
= kemiringan (the slope) kurva karakteristik keluaran sensor (∆y/∆x).
•
Sensor dengan sensitivitas tinggi (high sensitivity) lebih disukai
karena dapat menghasilkan keluaran yang besar dengan masukan
sinyal yang kecil.
•
Contoh:
Sensor tekanan darah bisa memiliki tingkat sensitivitas sebesar 10
µV/mmHg, yang berarti akan ada tegangan keluaran 10 µV untuk
tiap volt potensial eksitasi dan tiap mmHg tekanan yang diberikan.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
37. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Kurva Sensitivitas
Rentang dinamik
= rentang total keluaran sensor
= Keluaran skala penuh (Full Scale Output, FSO)
Rdin = Ymaks − Ymin
Terkait dengan sensitivitas, ada dua jenis kesalahan (errors) yang termasuk
karakteristik suatu sensor, yaitu: saturasi dan “dead-bands”.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
38. Sistem Sensor
•
Hampir semua sensor memiliki
batas-batas
pengoperasian.
Meskipun sensor tersebut dianggap
linier, namun linieritasnya terbatas.
Sensor
bersifat
responsif
(menghasilkan sinyal keluaran yang
sebanding
dengan
nilai
masukannya) hanya sampai pada
batas-batas tertentu. Bila stimulus
(nilai masukan) terus ditingkatkan,
sensor tidak lagi menghasilkan
keluaran yang diharapkan. Dengan
kata lain, sensitivitasnya menurun
atau bahkan tidak sensitif sama
sekali (b = 0).
•
Saturasi (saturation) = daerah
kerja sensor setelah rentang linier
di mana responnya terhadap
masukan tidak lagi menghasilkan
keluaran yang diharapkan.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
Drs. Wildian, M.Si.
Saturasi
39. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Dead-bands
•
Daerah Mati (dead band)
adalah ketidaksensitifan
sensor dalam suatu rentang
tertentu ketika sudah ada
sinyal masukannya.
•
Dalam rentang tersebut, sinyal
keluarannya masih ‘bertahan’
di dekat nilai tertentu
(biasanya di sekitar nol) dalam
suatu zona dead band
keseluruhan.
Perhatikan:
Saturasi terjadi setelah ujung rentang linier, sedangkan dead-bands
biasanya terjadi sebelum pangkal rentang linier fungsi transfer sensor.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
40. Sistem Sensor
Akurasi
Drs. Wildian, M.Si.
•
Akurasi (accuracy), keakuratan, ketepatan
= ukuran seberapa dekat nilai keluaran sensor terhadap nilai sebenarnya (the
true value).
NB: Nilai sebenarnya = nilai sesungguhnya = nilai seharusnya = nilai idealnya.
•
Keakuratan sensor (ataupun alat ukur) dinyatakan oleh nilai ketakakuratannya.
Jadi, akurasi di sini berarti ketakakuratan (inaccuracy), yaitu selisih
maksimum antara nilai keluaran sensor dari nilai masukan
ideal/sesungguhnya (actual input).
Selisih = deviasi = kesalahan (error).
Kesalahan Mutlak = Nilai Sesungguhnya - Nilai Terukur
Kesalahan Mutlak
Kesalahan Relatif =
Nilai Sesungguhnya
Jadi, dalam bentuk persen kesalahan, akurasi dirumuskan sebagai
Akurasi =
Nilai Sesungguhnya - Nilai Terukur
× 100%
Nilai Sesungguhnya
Jurusan Fisika Universitas Andalas
41. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Menghitung Kesalahan
Sebuah sensor perpindahan (displacement sensor) memiliki
sensitivitas ideal b = 1 mV/mm. Itu berarti, sensor ini idealnya
mampu membangkitkan 1 mV per 1 mm perpindahan. Namun,
dalam praktiknya, sensor tersebut menghasilkan tegangan keluaran
sebesar, misalnya, y = 10,5 mV untuk perpindahan sejauh x = 10
mm.
Dengan mengonversi-balik nilai tegangan keluaran (y) ini menjadi
perpindahan (x’) tanpa kesalahan, yaitu 1/b = 1 mm/mV, maka
diperoleh perpindahan sebesar x’ = 10,5 mm. Jadi, ada selisih
sebesar x’ - x = 0,5 mm lebih besar dari nilai sebenarnya/aktualnya.
Kelebihan 0,5 mm inilah yang disebut deviasi alias simpangan alias
kesalahan (error) dalam pengukuran tersebut.
Oleh sebab itu, dalam rentang 10-mm itu, ketakakuratan atau
kesalahan mutlak sensor ini adalah 0,5 mm, dan kesalahan
relatifnya adalah (0,5 mm/10 mm) x 100% = 5%.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
42. Sistem Sensor
Tingkat Keakuratan
Drs. Wildian, M.Si.
•
Tingkat keakuratan (accuracy rating) meliputi efek gabungan dari
variasi bagian-per-bagian (part-to-part variations), histeresis, dead
band, kesalahan-kesalahan kalibrasi dan repeatability.
•
Tingkat keakuratan dapat direpresentasikan dalam beberapa bentuk:
- Langsung dalam bentuk nilai yang terukur (Δ).
- Dalam persen lebar-rentang skala penuh (span)
- Dalam bentuk sinyal keluaran.
•
Contoh:
Sebuah sensor piezoresistif mempunyai skala penuh masukan 100
kPa dan keluaran skala penuh 10 Ω. Ketakakuratannya dapat
ditentukan sebagai ±0,5%, atau ±500 Pa, atau ±0,05 Ω.
•
Pada sensor modern, spesifikasi ketakakuratan seringkali digantikan
oleh suatu nilai ketakpastian (uncertainty) yang lebih komprehensif
karena ketakpastian terdiri dari seluruh efek distorsi/gangguan, baik
yang sistematik maupun yang acak, dan tidak terbatas pada
ketakakuratan suatu fungsi transfer.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
43. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Presisi
• Presisi (precision) = Kemampuan alat ukur untuk
memberikan pembacaan yang sama ketika pengukuran
besaran yang sama dilakukan secara berulang pada
kondisi yang sama.
NB: Oleh karena sensor merupakan ujung tombak alat
ukur, maka definisi di atas juga berlaku untuk sensor.
• Presisi menggambarkan seberapa dekat nilai-nilai hasil
pengukuran antara satu dengan yang lain dalam suatu
pengukuran yang berulang.
• Dengan kata lain, presisi menggambarkan tingkat
ketelitian alat ukur.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
44. Sistem Sensor
Presisi vs. Akurasi
Nilai yang diperoleh dari suatu
eksperimen dikatakan:
akurat (accurate)
Drs. Wildian, M.Si.
….jika nilai tersebut :
dekat dengan nilai sesungguhnya,
tetapi ketakpastiannya bisa
sembarang (bisa besar atau kecil).
teliti (precise)
memiliki ketakpastian yang kecil,
tetapi ini bukan berarti nilai tersebut
dekat dengan nilai sesungguhnya.
akurat dan teliti
dekat dengan nilai sesungguhnya dan
sekaligus memiliki ketakpastian
yang kecil.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
46. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Presisi vs. Akurasi
Presisi
Akurasi
Reproducibility
Diuji dengan cara
pengukuran berulang
Presisi yang rendah (poor
precision) berasal dari
cara/teknik pengukuran yang
kurang baik.
Ketepatan
Diuji dengan menggunakan
metode yang berbeda
Akurasi yang rendah berasal
dari kesalahan prosedural
atau kerusakan alat.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
47. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Presisi & Akurasi
• Presisi tidak mempengaruhi akurasi.
• Hasil pengukuran yang presisi belum tentu akurat, dan
sebaliknya.
• Hasil pengukuran yang baik itu adalah akurat dan
sekaligus presisi.
• Prioritas utama yang harus dicapai dalam pengukuran
adalah menghasilkan suatu pengukuran yang tepat
(akurat), karena ketelitian (precision) tanpa ketepatan
(accuracy) hanya akan menyesatkan (misleading).
Jurusan Fisika Universitas Andalas
48. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Contoh
•
Berikut ini hasil pengukuran titik didih air dengan dua sensor (alat
ukur) yang berbeda (termokopel dan termometer air-raksa):
Alat ukur A (termokopel): Td air = (92,49 ± 0,04)oC
Alat ukur B (termometer): Td air = (100,2 ± 0,2)oC
Berdasarkan kedua hasil pengukuran tsb dapat disimpulkan:
Alat ukur A lebih presisi daripada B karena hasil pengukuran
dengan alat ukur A memiliki ketakpastian yang lebih kecil (±
0,04oC).
Alat ukur B lebih akurat daripada A karena nilai rata-rata titik
didih air yang diukur dengan alat ukur B (yaitu: 100,2oC) lebih
dekat dengan nilai sesungguhnya (100oC).
Jurusan Fisika Universitas Andalas
50. Sistem Sensor
esis
ter
Hys
Drs. Wildian, M.Si.
Hysteresis = Selisih antara
dua pembacaan keluaran
(output readings) dalam
suatu pengukuran berulang
untuk suatu nilai masukan
yang sama yang didekati dari
arah yang berlawanan.
Hysteresis biasanya
dinyatakan dalam % FSO.
Penyebabnya:
Keterlambatan aksi
elemen pengindera (Kasus
pada sensor mekanik).
Keterlambatan penjajaran
momen-momen magnet
dalam dalam merespon
medan magnetik eksternal
(Kasus pada sensor
magnetik).
Gopel, W.,1989, Sensors A Comprehensive Survey, Vol. 1.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
51. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Resolusi
• Pada
beberapa
sensor
(misal:
sensor
potensiometrik dan detektor inframerah tetap),
ketika masukannya berubah kontinu, sinyal
keluarannya ternyata tak-kontinu (tidak mulus
sempurna), meskipun di bawah kondisi tanpanoise. Sinyal keluaran ini berubah dalam bentuk
jenjang-jenjang kecil (small steps).
• Resolusi = Kenaikan terkecil (the smallest
increment) pada masukan yang menghasilkan
kenaikan yang dapat terdeteksi pada keluaran
sensor.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
52. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Cara Menyatakan Resolusi
•
Untuk detektor tetap (the occupancy detector), resolusi dapat
dinyatakan sebagai “perpindahan minimum obyek dengan jarak yang
sama sebesar 20 cm pada jarak 5 m.”
•
Untuk sensor sudut potensiometrik, resolusi dapat dinyatakan
sebagai “sudut minimum sebesar 0,5o.”
•
Terkadang, resolusi juga dinyatakan sebagai persen skala penuh
(FS) alias rentang masukan. Contoh: untuk sensor sudut (the
angular sensor) yang memiliki skala penuh 270o, maka resolusi
sebesar 0.5o dapat dinyatakan sebagai
Resolusi = (0.5o/ 270o) x 100% = 0,185%
•
Resolusi sensor-sensor berformat keluaran digital diberikan oleh
jumlah bit dalam data word. Contoh: resolusi dapat dinyatakan
sebagai “resolusi 8-bit” (“8-bit resolution”) Untuk lebih meyakinkan,
pernyataan ini harus dilengkapi dengan nilai skala penuhnya atau
nilai LSB-nya (the value of least significant bit).
Jurusan Fisika Universitas Andalas
53. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Karakteristik Dinamik
•
Ketika stimulus masukan berubah-ubah terhadap waktu, respon
sensor umumnya tidak mampu mengikuti perubahan-perubahan itu
dengan sempurna.
•
Penyebabnya: sensor dan penggandengnya (its coupling) dengan
sumber stimulus tidak selalu dapat merespon dengan seketika
(instantly).
•
Karakteristik sensor yang bergantung waktu disebut karakteristik
dinamik (dynamic characteristic).
•
Jika suatu sensor tidak dapat merespon seketika, maka nilai stimulus
yang ditunjukkan (yang keluar dari sensor itu) boleh jadi sedikit
berbeda dengan nilai stimulus yang sesungguhnya. Dikatakan bahwa
sensor itu merespon dengan suatu kesalahan dinamik (dynamic
error).
•
Apabila sebuah sensor merupakan bagian dari suatu system kontol
yang juga memiliki karakteristik dinamik sendiri, maka kombinasi
kedua karakteristik dinamik itu dapat menyebabkan osilasi.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
54. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Menentukan Karakteristik Dinamik
•
Karakteristik dinamik ditentukan dengan cara menganalisis sensor
terhadap bentuk-bentuk gelombang masukan yang berubah
terhadap waktu: impulse, step, ramp, sinusoidal, white noise….
•
Untuk menganalisis karakteristik dinamik sensor digunakan modelmodel dinamik (dynamic models).
Jurusan Fisika Universitas Andalas
55. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Model Dinamik
•
Respon dinamik sensor biasanya dianggap linier. Oleh sebab itu,
respon dinamik ini dapat dimodelkan oleh persamaan diferensial
linier berkoefisien konstan:
• Dalam praktiknya, model-model ini terbatasi untuk orde-orde
pertama, kedua, dan ketiga. Model-model berorde lebih tinggi
sangat jarang diterapkan.
• Model-model dinamik ini biasanya dianalisis dengan transformasi
Laplace, yang mengonversi persamaan diferensial tersebut
menjadi pernyataan polinomial (a polynomial expression).
Jurusan Fisika Universitas Andalas
56. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Transformasi Laplace
sebagai
Perluasan Trans. Fourier
•
Analisis Fourier terbatas hanya untuk sinyal-sinyal sinusoidal.
x(t ) = sin ωt = e
•
− jωt
Analisis Laplace juga dapat digunakan untuk menganalisis
perilaku eksponensial.
x(t ) = e
−σt
Jurusan Fisika Universitas Andalas
sin ωt = e
− (σ + jω ) t
57. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Transformasi Laplace (review)
•
Transformasi Laplace suatu sinyal yang berubah terhadap waktu,
y(t), ditunjukkan oleh
L[y(t)] = Y(s)
Variabel s merupakan suatu bilangan kompleks: s = σ + jω
- Komponen real σ mendefinisikan perilaku eksponensial yang real
- Komponen imajiner mendefinisikan frekuensi perilaku yang
bergetar (oscillatory behavior).
• Hubungan dasarnya:
•
• Hubungan
penting lainnya:
Jurusan Fisika Universitas Andalas
58. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Transformasi Laplace (review)
•
Penerapan transformasi Laplace ke model sensor menghasilkan
G(s) disebut fungsi transfer sensor tersebut.
Posisi kutub-kutub fungsi transfer G(s), yaitu nol-nol penyebutnya, pada
bidang-s menentukan perilaku dinamik sensor tersebut seperti
- komponen-komponen osilasi (oscillating components)
- Peluruhan eksponensial (exponential decays)
- Ketakstabilan (instability)
Jurusan Fisika Universitas Andalas
60. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Sensor-sensor Orde-Nol
•
•
Sinyal masukan dan keluarannya dihubungkan dengan persamaan:
Orde-nol merupakan respon yang diharapkan dari sebuah sensor karena
- Tak ada tundaan (no delays)
- Bandwidth tak-hingga
- Sensor ini hanya mengubah amplitudo sinyal masukannya.
•
Contoh sensor orde-nol:
Potentiometer yang digunakan untuk mengukur perpindahan linier dan
perpindahan putaran (rotary displacement).
NB: Model ini tidak cocok digunakan untuk perpindahan yang berubah
dengan cepat.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
61. Sistem Sensor
•
Sensor Orde-1
Drs. Wildian, M.Si.
Sinyal masukan dan keluarannya dihubungkan dengan persamaan
diferensial orde-1:
• Sensor orde-1 memiliki satu elemen yang menyimpan energi dan
satu lainnya melepaskan energi tsb.
• Bentuk responnya:
Jurusan Fisika Universitas Andalas
68. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Waktu-pemanasan
• Waktu-pemanasan (warm-up time) = waktu yang
diperlukan sejak penerapan daya (atau sinyal eksitasi)
ke sensor hingga saat sensor itu dapat beroperasi dalam
ketelitian tertentunya.
• Banyak sensor memiliki waktu-pemanasan yang singkat,
sehingga dapat diabaikan. Tetapi, ada beberapa
detektor, khususnya yang beroperasi dalam lingkungan
yang dikontrol secara termal (seperti termostat,
misalnya) bisa memerlukan waktu-pemanasan beberapa
detik atau bahkan bermenit-menit sebelum detektor
tersebut beroperasi secara penuh dalam batas-batas
ketelitian yang ditentukan.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
69. Sistem Sensor
•
Respon frekuensi (frequency
response) :
- Mencirikan seberapa cepat suatu
sensor dapat bereaksi terhadap
perubahan yang terjadi pada stimulus
masukan.
Respon Frekuensi
Drs. Wildian, M.Si.
- Dinyatakan dalam Hz atau rad/sec
untuk mencirikan penurunan relatif
(relative reduction) dalam sinyal
keluaran pada frekuensi tertentu.
Bilangan penurunan (atau disebut
juga batas frekuensi) yang lazim
digunakan adalah –3 dB. Bilangan ini
menunjukkan pada frekuensi berapa
frekuensi tegangan (atau arus)
keluaran turun sebesar kira-kira 30%.
Batas respon frekuensi sering disebut
frekuensi-potong atas (upper cutoff
frequency), (fu) karena frekuensi ini
dianggap sebagai frekuensi tertinggi
yang dapat diproses oleh sensor.
Jurusan Fisika Universitas Andalas
•
Respon frekuensi berhubungan
langsung dengan respon kecepatan
(speed response), yang didefinisikan
dalam satuan-satuan stimulus
masukan per satuan waktu. Respon
mana (frekuensi ataukah kecepatan)
yang akan digunakan untuk memilih
sensor/detektor dalam suatu kasus,
tergantung pada tipe sensor itu,
aplikasinya, dan saran/preferensi
perancang.
70. Sistem Sensor
Drs. Wildian, M.Si.
Waktu Respon
•
Waktu respon (response time)
= selang waktu antara
perubahan pada besaran
yang diukur dan waktu alat
ukur membaca nilai
kesetimbangan baru.
•
Respon ini sering
didefinisikan dalam istilah
waktu berikut: waktu mati
(dead time), waktu naik (rise
time), dan waktu menetap
(settling time).
Sayer and Mansingh, 2000, Measurement, Instrumentation and
Experiment Design in Physics and Engineering,
Jurusan Fisika Universitas Andalas