Penjelasan Fungsi-Fungsi Sensor Dalam Sistem Elektronik

PENJELASAN FUNGSI-FUNGSI SENSOR DALAM SISTEM ELEKTRONIK    

 KHUSUSNYA INSTRUMENTASI DAN KONTROL

 

A.  Definisi Sensor

D Sharon, dkk (1982), mengatakan bahwa sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya. Contoh sensor dalam bidang elektronik: sensor cahaya, sensor thermal, sensor mekanik, sensor magnetik.

            Definisi masing-masing sensor dalam bidang elektronik dapat dilakukan dengan penjelasan dan fungsi sebagai berikut:

1.    Sensor Cahaya

 

Gambar 1.1. Sensor Cahaya

 

            Elemen-elemen sensitif cahaya merupakan alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitifitas mata manusia terhadap semua spektrum warna maupun cahaya ultraviolet dan infra merah.

            Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki spektrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spektrum mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan spektrum optis dan energi dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 1.2.  Spektrum Gelombang Elektromagnetis (EM)

Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat elektron berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan pada gambar 1.1, spektrum warna cahaya terdiri dari ultra violet dengan panjang gelombang 200 sampai 400 nanometer (nm), visible adalah spektrum warna cahaya yang dapat dilihat oleh mata dengan panjang gelombang 400 sampai 800 nm yaitu warna violet, hijau dan merah, sedangkan spektrum warna infrared mulai dari 800 sampai 1600 nm adalah warna cahaya dengan frekuensi terpendek.

Jenis-Jenis Sensor Cahaya

Berdasarkan perubahan outputnya sensora cahaya dapat dibedakan menjadi 2 tipe yaitu:

•   Sensor cahaya tipe fotovoltaik
•   Sensor cahaya tipe fotokonduktif

Berdasarkan jenis cahaya yang diterima sensor cahaya dapat dibagi menjadi 2 tipe yaitu:

• Sensor cahaya infra merah
• Sensor cahaya ultraviolet

1.1.  Sensor Cahaya Tipe Fotovoltaik

Sensor cahaya tipe fotovoltaik adalah sensor cahaya yang dapat memberikan perubahan tegangan pada output sensor cahaya apabila sensor tersebut menerima intensitas cahaya. Salah satu contoh sensor cahaya tipe fotovoltaik adalah solar cell atau sel surya

Gambar 1.3. Sel Surya

Sensor cahaya tipe fotovoltaik adalah sensor cahaya yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Salah satu contohnya adalah Sel Surya silikon modern yaitu pada dasarnya adalah sambungan PN dengan lapisan P yang transparan. Jika ada cahaya pada lapisan transparan P akan menyebabkan gerakan elektron antara bagian P dan N, jadi menghasilkan tegangan DC yang kecil sekitar 0,5 volt per sel pada sinar matahari penuh. Konstruksi dari sensor cahaya tipe fotovoltaik ditunjukkan pada gambar 1.4. berikut ini.

Gambar 1.4. konstruksi tipe fotovoltaik

1.2.  Sensor Cahaya Tipe Konduktif

Sensor cahaya tipe fotokonduktif akan memberikan perubahan resistansi pada terminal outputnya sesuai dengan perubahan intensitas cahaya yang diterimanya. Terdapat beberapa jenis sensor cahaya tipe fotovoltaik ini diantaranya adalah :

• LDR (Light Depending Resistor)
• Foto Transistor
• Foto Dioda

1.2.1. LDR (Light Depending Resistor)

Gambar 1.5. LDR (Light Depending Resistor)

LDR adalah sensor cahaya yang memiliki 2 terminal output, kedua terminal output tersebut memiliki resistansi yang dapat berubah sesuai dengan intensitas cahaya yang diterimanya. Nilai resistansi kedua terminal output LDR akan semakin rendah apabila intensitas cahya yang diterimanya semakin tinggi.

1.2.2.      Foto Transistor

Gambar 1.6. Foto Transisitor

Foto transistor adalah suatu transistor yang memiliki resistansi antara kaki kolektor dan emitor dapat berubah sesuai intensitas cahaya yang diterimanya. Foto transistor memiliki 2 terminal output yaitu emitor dan colektor. Nilai resistansi pada emitor dan kolektor akan semakin rendah apabila intensitas cahaya yang diterima Foto transistor semakin tinggi.

1.2.3.      Foto Dioda

Gambar 1.7. Foto Dioda

Foto dioda adalah suatu dioda yang akan mengalami perubahan resistansi pada terminal anoda dan katoda apabila terkena cahaya. Nilai resistansi anoda dan katoda pada foto dioda akan semakin rendah apabila intensitas cahaya yang diterima foto dioda semakin tinggi.

1.3.  Sensor Cahaya Infra Merah

Sensor cahaya infra merah adalah sensor cahaya yang hanya akan merespon perubahan cahaya inframerah. Sensor cahaya infra merah pada umumnya berupa foto transistor atau foto dioda. Apabila sensor cahaya merah ini menerima pancaran cahaya infra merah maka pada terminal outputnya akan memberikan perubahan resistansi. Akan tetapi ada juga sensor cahaya yang dibuat dalam bentuk chip IC penerima sensor infra merah seperti yang digunakan pada penerima remote televisi. Chip IC sensor infra merah ini akan memberikan perubahan tegangan output apabila IC sensor infra merah tersebut menerima pancaran cahaya infra merah. Berikut adalah gambar dari IC sensor infra merah tersebut.

Gambar 1.8. Sensor Cahaya Infra Merah

1.4.  Sensor Cahaya Ultraviolet

Sensor cahaya ultraviolet merupakan sensor cahaya yang hanya merespon perubahan intensitas cahaya ultraviolet yang mengenainya. Sensor cahaya ultraviolet ini akan memberikan perubahan besaran listrik pada terminal outputnya pada saat menerima perubahan intensitas pancaran cahaya ultraviolet. Salah satu contoh sensor cahaya adalah Modul sensor cahaya UVtron. Berikut adalah gambar bentuk sensor cahaya ultraviolet.

Gambar 1.9. Sensor Cahaya Ultraviolet

2.    Sensor Suhu

Sensor suhu adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran panas menjadi besaran listrik yang dapat dengan mudah dianalisis besarnya. Ada beberapa metode yang digunakan untuk membuat sensor ini, salah satunya dengan cara menggunakan material yang berubah hambatannya terhadap arus listrik sesuai dengan suhunya, contoh alat yang menggunakan sensor suhu adalah termometer digital.

Gambar 2.1. Thermometer Digital

Jenis-Jenis Sensor Suhu

Dari jenisnya Sensor suhu dibagi menjadi 4 golongan yang memiliki beberapa tipe dan bentuk berbeda. Berikut adalah 4 jenis utama sensor suhu.

• Termokopel (T/C)
• Resistance Temperature Deterctor (RTD)
• Thermistor
• Sensor Suhu IC

2.1. Termokopel

 Gambar 2.2. Thermometer Termokopel

Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1°C.

Penggunaan Termokopel

Termokopel biasa digunakan untuk mengukur rentangan suhu yang luas hingga berkisar 2300°C. Akan tetapi kurang cocok untuk pengukuran perbedaan suhu yang kecil karena tidak memiliki akurasi tinggi. Contoh Penggunaan Termokopel yang umum antara lain :

• Industri besi dan baja
• Sebagai pembangkit listrik tenaga panas radioisotop, yaitu salah satu dari aplikasi termopile
• Pengaman pada alat-alat pemanas
• Sebagai termopile sensor radiasi

2.2.  Resistance Thermal Detector (RTD)

Gambar 2.3. Resistance Thermal Detector (RTD)

Resistance Thermal Detector (RTD) atau dikenal dengan Detektor Temperatur Tahanan adalah sebuah alat yang digunakan untuk menentukan nilai atau besaran suatu temperatur/suhu dengan menggunakan elemen sensitif dari kawat platina, tembaga, atau nikel murni, yang memberikan nilai tahanan yang terbatas untuk masing-masing temperatur di dalam kisaran suhunya. Semakin panas benda tersebut, semakin besar pula nilai tahanan listriknya, begitu juga sebaliknya. PT100 merupakan tipe RTD yang paling populer yang digunakan di industri.

2.3.  Thermistor

Gambar 2.4. Thermistor

Thermistor adalah salah satu jenis resistor yang nilai hambatan atau resistansinya dipengaruhi oleh Suhu (Temperatur). Thermistor merupakan singkatan dari “Thermal Resistor” yang artinya adalah tahanan (resistor) yang berkaitan dengan panas (thermal). Thermistor terdiri dari 2 jenis, yaitu Thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) dan Thermistor PTC (Positive Temperature Coefficient). Nilai resistansi thermistor NTC akan turun jika suhu di sekitar thermistor NTC tersebut tinggi (berbanding terbalik / Negatif). Sedangkan untuk thermistor PTC, semakin tinggi suhu disekitarnya, semakin tinggi pula nilai resistansinya (berbanding lurus / Positif). Beberapa aplikasi thermistor NTC dan PTC antara lain sebagai berikut.

• Pendeteksi kebakaran
• Sensor suhu di mesin mobil
•  Sensor untuk memonitor suhu Battery Pack (Kamera, Handphone, Laptop) saat charging
• Sensor untuk memantau suhu Inkubator
• Sensor suhu untuk kulkas
• Sensor suhu pada komputer dan lain sebagainya

2.4.  sensor Suhu IC

Gambar 2.5. Sensor Suhu IC 

Sensor suhu IC adalah sensor suhu yang prinsip kerjanya didasarkan pada sifat atau perilaku semikonduktor PN junction silikon yang sangat sensitif terhadap suhu/temperatur. Kesensitifan PN junction ini mungkin menjadi kerugian dalam banyak aplikasi, akan sangat menguntungkan bila digunakan dalam perangkat sensor suhu. Sensor suhu IC akan menghasilkan sinyal output (tegangan, arus) yang berbanding lurus atau linier dengan temperatur. Sensor suhu IC biasa digunakan dalam suhu kisaran –50⁰ C sampai 150⁰ C. Salah satu jenis IC sensor suhu adalah IC LM35. IC sensor suhu ini memiliki output yang linier dan bekerja dengan tegangan 5 volt DC. IC LM35 sering digunakan sebagai rangkaian kontrol khusus serta pengindera temperatur atau suhu ruangan.

3.    Sensor Mekanik

Gambar 3.1. Sensor Mekanik

Sensor Mekanik (Mechanics Sensor) adalah sensor atau transduser yang digunakan untuk mengetahui, mengukur atau mendeteksi nilai perubahan atau gerakan mekanis dari suatu objek.

Jenis-Jenis Sensor Mekanik

3.1.  Sensor Kecepatan

Gambar 3.2. Tachometer

Pengukuran kecepatan dapat dilakukan dengan cara analog maupun digital. Secara umum pengukuran kecepatan dibagi menjadi dua cara yaitu: cara angular dan cara translasi. Untuk mengukur kecepatan translasi dapat diturunkan dari cara pengukuran angular. Yang dimaksud dengan pengukuran angular adalah pengukuran kecepatan rotasi (berputar), sedangkan pengukuran kecepatan translasi adalah kecepatan gerak lurus beraturan dan kecepatan gerak lurus beraturan. Salah satu jenis sensor kecepatan adalah tachometer digunakan untuk mengukur putaran mesin khususnya jumlah putaran yang dilakukan oleh sebuah poros dalam satu satuan waktu dan biasanya dipakai pada peralatan kendaraaan bermotor.

3.2.  Sensor Posisi

Sensor posisi adalah sensor yang mengubah posisi sensor menjadi tegangan dan atau arus, hasil sensor posisi atau perpindahan dapat digunakan untuk mengukur perpindahan linier atau angular. Teknis perlakuan sensor dapat dilakukan dengan cara terhubung langsung (kontak) dan tidak langsung (tanpa kontak).

Jenis-jenis Sensor Posisi

3.2.1.      Accelerometer

Gambar 3.3. Accelerometer sensor

Accelerometer adalah sensor yang digunakan untuk mengukur percepatan, mendeteksi dan mengukur getaran (vibrasi), dan mengukur percepatan akibat gravitasi (inklinasi). Accelerometer dapat digunakan untuk mengukur gataran pada mobil, mesin, bangunan, instalasi pengaman.

Prinsip kerja accelerometer adalah seperti Sebuah per dengan beban dan dilepaskan, beban bergerak dengan suatu percepatan sampai kondisi tertentu akan berhenti. Bila ada sesuatu yang menggoncangkannya maka beban akan berayun kembali. Pengukuran  kapasitansi inilah yang umumnya menjadi hasil pengukuran chip. Agar sensor bisa mendeteksi 3 dimensi, maka dibutuhkan 3 pasang plat yang dipasang tegak lurus antar masing- masing. Maka sensor ini bisa mendeteksi suatu gerak yaitu “geser kiri, geser kanan, putar ke kiri putar ke kanan , lompat ke depan”.

Accelerometer juga dapat diaplikasikan pada pengukauran aktivitas gempa bumi dan peralatan-peralatan elektronik, seperti permainan 3 dimensi, mouse komputer, dan telepon.

3.2.2. Gyroscope

Gambar 3.4. Gyroscope Sensor

Sensor gyroscope adalah sensor kecepatan angular yang digunakan untuk mengukur atau mempertahankan orientasi dari suatu benda, dengan prinsip ketetapan momentum sudut. Mekanismenya adalah seperti sebuah roda berputar dengan piringan didalamya yang tetap stabil. Sensor gyroscope dapat ditemui pada modul IMU (Inertial Measurement Unit) yaitu suatu unit dalam modul elektronik yang mengumpulkan data kecepatan angular dan akselerasi linear yang kemudian dikirim ke CPU (Central Processing Unit) untuk mendapatkan data keberadaan dan pergerakan suatu benda, sensor Gyroscope juga sering digunakan pada robot ataupun helikopter.

3.3.   Sensor Tekanan (Presure Sensor)

Gambar 3.4. Sensor Tekanan

Sensor Tekanan (pressure sensor) adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan, yaitu dengan cara mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik. Dalam mesin otomotif dan berbagai komponen penting lainnya, sensor tekanan digunakan dalam sistem pengereman kendaraan (pengereman kendaraan dengan menggunakan angin, seperti di bus, atau juga sistem ABS (Anti-Lock Brake System)). Sensor tekanan juga digunakan di sistem airbag untuk mendeteksi tabrakan, karena saat tabrakan, badan kendaraan mengalami peningkatan tekanan yang besar. Selain itu sensor tekanan juga digunakan dalam bidang manufaktur seperti proses pemanasan, proses pengovenan komponen komposit, pneumatik, dan lain sebagainya.

3.4.  Sensor Level

Gambar 3.5. Sensor Level

Sensor level berfungsi sebagai  pendeteksi tingkat zat yang mengalir secara bebas.  Zat tersebut diantaranya adalah cairan seperti air, minyak, dan zat padat seperti butiran/bubuk (zat padat yang dapat mengalir). Sistem pengukuran sensor level terdiri dari dua yaitu point level  dan continuous level. Point level  adalah pengukuran secara diskrit/digital yang menggunakan metode pensaklaran, contohnya adalah sinyal untuk level low-low, low, high, high-high. Sedangkan continuous level pengukuran menggunakan metode analog (4-20 mA) contoh seperti sensor level yang memakai prinsip kerja gelombang mikro (microwave radar) atau gelombang suara ultrasonik.

3.5.  Sensor Ultrasonik

Gambar 3.6. Sensor Ultrasonik

Sensor ultrasonik adalah alat elektronika memiliki kemapuan mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dalam bentuk gelombang suara ultrasonik. Sensor ini terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang dinamakan transmitter dan penerima ultrasonik yang disebut receiver. Alat ini digunakan untuk mengukur gelombang ultrasonik. Gelombang ultrasonic adalah gelombang mekanik yang memiliki ciri-ciri longitudinal frekuensi di atas 20 Khz dan dapat merambat melalui zat padat, cair maupun gas. Sensor ultrasonik merupakan sensor yang bekerja dengan cara memancarkan suatu gelombang dan kemudian menghitung waktu pantulan gelombang tersebut.

Sensor ultrasonik digunakan untuk menghitung jarak dari suatu objek yang berada didepan sensor, Sehingga dengan fungsinya tersebut, sensor ultrasonik dapat digunakan pada perangkat yang membutuhkan perhitungan jarak seperti pada smart robot, kapal laut, kapal selam.

4.    Sensor Magnetik

Gambar 4.1. Sensor Magnetik

Sensor magnetik atau disebut juga relai buluh, adalah alat yang akan terpengaruh medan magnet dan akan memberikan perubahan kondisi pada keluarannya. Sama seperti saklar dua kondisi (on/off) yang digerakkan oleh adanya medan magnet di sekitarnya. Contoh sensor yang menggunakan prinsip kerja elektromagnetik adalah sensor vibrasi, speed detector.