Jenis-jenis Sensor dan Fungsinya

Semua perangkat instrumentasi/pengukuran menggunakan sensor untuk mendeteksi suatu perubahan yang terjadi, misalnya: perubahan suhu, perubahan temperatur, perubahan tekanan, atau perubahan gaya menjadi sinyal-sinyal listrik yang kemudian diproses agar bisa terbaca dan dirasakan hasil/pengaruhnya oleh manusia. Sensor merupakan jenis transducer.

Transducer adalah pengubah besaran fisis (posisi, daya, kecepatan, level, temperatur, dan lain-lain) menjadi besaran listrik (tegangan, arus, frekuensi dan lain-lain).

Misalnya: intensitas cahaya menjadi resistansi dan listrik, perubahan suhu menjadi sinyal listrik, perubahan tekanan menjadi induktansi, perubahan beban/gaya/torsi menjadi resistansi, dan lain-lain

Sensor Cahaya

Sensor cahaya berfungsi untuk mengubah intensitas sinar/cahaya menjadi konduktivitas/arus litrik.

Jenis-jenis sensor cahaya:

1. Fotovoltaic (Solar Cell/Fotocell)

Berfungsi untuk mengubah sinar matahari menjadi arus listrik DC. Tegangan yang dihasilkan sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai permukaan solar cell. Semakin kuat sinar matahari tegangan dan arus listrik Dc yang dihasilkan semakin besar.
Simbol Solar Cell:


Bahan pembuat solar cell adalah silicon, cadmium sullphide, gallium arsenide danselenium.
Gambar penampang solar cell :

Depletion layer adalah pertemuan antara substrat tipe P dan subtrat tipe N.
Prinsip kerja: Bila cahaya jatuh pada solar cell, depletion layer akan berkurang dan elektron berpindah melalui hubungan “pn”. Besarnya arus yang mengalir sebanding dengan perpindahan elektron yang ditentukan intensitas cahayanya.

2. Fotoconductiv

Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi perubahan konduktivitas. Kebanyakan komponen ini erbuat dari bahan cadmium selenoide atau cadmium sulfide.
Tipe-tipe Fotoconductiv:

1. LDR (Light Dependent Resistor)
Berfungsi untuk mengubah itensitas cahaya menjadi hambatan listrik. Semakin banyak cahaya yang mengenai permukaan LDR hambatan listrik semakin besar.
Simbol LDR :

2. Fotodiode
Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi konduktivitas dioda. Fotodiode sejenis dengan dioda pada umummya, perbedaannya pada fotodiode ini adalah dipasangnya sebuah lensa pemfokus sinar untuk memfokuskan sinar jatuh pada pertemuan ”pn”.
Simbol Fotodiode :

Prinsip kerja : Energi pancaran cahaya yang jatuh pada pertemuan “pn” menyebabkan sebuah elektron berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Elektron berpindah ke luar dari valensi band meninggalkan hole sehingga membangkitkan pasangan elektron bebas dan hole.
3. Fototransistor
Berfungsi untuk mengubah intensitas cahaya menjadi konduktivitas transistor. Fototransistor sejenis dengan transistor pada umummya. Bedaannya, pada fototransistor dipasang sebuah lensa pemfokus sinar pada kaki basis untuk memfokuskan sinar jatuh pada pertemuan ”pn”.
Simbol Fototransistor :

Sensor Suhu

Berfungsi untuk mengubah temperatur/suhu menjadi beda potensial listrik.

Jenis-jenis sensor suhu:

1. Thermokopel

Berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yaitu suhu serendah 3000F sampai dengan suhu tinggi yang digunakan pada proses industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000F. Thermokopel dibentuk dari dua buah penghantar yang berbeda jenisnya (besi dan konstantan) dan dililit bersama.


Prinsip Kerja :
Jika salah satu bagian pangkal lilitan dipanasi, maka pada kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial (emf). Thermokopel ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck tahun 1820 dan dikenal dengan Efek Seebeck.
Efek Seebeck:
Sebuah rangkaian termokopel sederhana dibentuk oleh 2 buah penghantar yang berbeda jenis (besi dan konstantan), dililit bersama-sama. Salah satu ujung T merupakan measuring junction dan ujung yang lain sebagai reference junction. Reference junction dijaga pada suhu konstan 320F (00C atau 680F (200C). Bila ujung T dipanasi hingga terjadi perbedaan suhu terhadap ujung Tr, maka pada kedua ujung penghantar besi dan konstantan pada pangkal Tr terbangkit beda potensial (electro motive force/emf) sehingga mengalir arus listrik pada rangkaian tersebut.
Kombinasi jenis logam penghantar yang digunakan menentukan karakteristik linier suhu terhadap tegangan.
Tipe-tipe kombinasi logam penghantar thermokopel:
1. Tipe E (kromel-konstantan)
2. Tipe J (besi-konstantan)
3. Tipe K (kromel-alumel)
4. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium)
5. Tipe T (tembaga-konstantan)
Tegangan keluaran emf (elektro motive force) thermokopel masih sangat rendah, hanya beberapa milivolt. Thermokopel bekerja berdasarkan perbedaan pengukuran. Oleh karena itu jika ukntuk mengukur suhu yang tidak diketahui, terlebih dulu harus diketahui tegangan Vc pada suhu referensi (reference temperature). Bila thermokopel digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi makaa akan muncul tegangan sebesar Vh. Tegangan sesungguhnya adalah selisih antara Vc dan Vh yang disebut net voltage (Vnet).
Besarnya Vnet ditentukan dengan rumus:
Vnet = Vh - Vc
Keterangan :
Vnet = tegangan keluaran thermokopel
Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi
Vc = tegangan referensi
Gambar grafik tegangan terhadap suhu pada thermokopel tipe E, J, K dan R :


Gambar di bawah ini menunjukkan beberapa thermokopel yang dihubungkan secara seri membentuk thermopile. Thermopile ini diletakkan di titik tengah pyrometer radiasi dan lensa yang digunakan untuk memfokuskan radiasi (pancaran panas) agar jatuh pada thermopile.
Gambar Thermopile:

Gambar Pyrometer Radiasi:

Untuk masa sekarang thermokopel sudah dibuat dengan kemasan yang mempunyai unjuk kerja yang lebih peka yang disebut thermopile yang digunakan sebagai pyrometer radiasi.
Grafik hubungan suhu terhadap arus keluaran:

2. Thermistor (Thermal Resistor/Thermal Sensitive Resistor)

Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi.
Simbol Thermistor :


Konstruksi Thermistor tipe GM102 :

Thermistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium, kobalt, tembaga, besi atau nikel.
Bentuk Thermistor :

1. Butiran
Digunakan pada suhu > 7000C dan memiliki nilai resistansi 100 Ω hingga 1 MΩ.
2. Keping
Digunakan dengan cara direkatkan langsung pada benda yang diukur panasnya.
3. Batang
Digunakan untuk memantau perubahan panas pada peralatan elektronik, mempunyai resistansi tinggi dan disipasi dayanya sedang. Thermistor dibuat sekecil-kecilnya agar mencapai kecepatan tanggapan (respon time) yang baik.
Pemakaian thermistor didasarkan pada tiga karakteristik dasar, yaitu:
1. Karakteristik R (resistansi) terhadap T (suhu)
2. Karakteristik R (resistansi) terhadap t (waktu)
3. Karakteristik V (tegangan) terhadap I (arus)
Grafik hubungan antara resistansi terhadap suhu thermistor :

Rangkaian Pengendali Suhu Ruangan Sederhana (karakteristik R terhadap t):
Cara kerja rangkaian:
Saat temperatur masih dingin hambatan thermistor sangat besar dibandingkan dengan R2, sehingga transistor dalam kondisi menghantar lalu rele kontak (terhubung) dan heater (pemanas) menghasilkan panas. Akan tetapi, ketika ruangan menjadi panas, thermistor juga ikut panas sehingga hambatannya turun. Hambatan paralel thermistor dengan R2 menjadi kecil, sehingga tegangan bias Tr juga kecil, mengakibatkan Tr dalam kondisi cut off, rele tidak kontak dan heater tidak bekerja. Akibatnya, suhu ruangan turun. Demikian seterusnya proses akan berulang dari awal dan suhu ruangan menjadi konstan.
3. RTD (Resistance Temperature Detectors)
Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi/hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. RTD terbuat dari sebuah kumparan kawat platinum pada papan pembentuk dari bahan isolator. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03 0C dibawah 5000C dan 0,1 0C diatas 10000C.
Konstruksi RTD bahan platinum:


RTD terpasang pada permukaan logam:


Hubungan antara resistansi dan suhu penghantar logam merupakan perbandingan linear. Resistansi bertambah sebanding dengan perubahan suhu padanya. Besar resistansinya dapat ditentukan berdasarkan rumus :

Besar resistansi pada suhu tertentu dapat diketahui dengan rumus :

Keterangan :
R1 = resistansi pada suhu awal
R2 = resistansi pada suhu tertentu
Untuk menghasilkan tegangan keluaran dapat diperoleh dengan mengalirkan arus konstan melalui RTD atau dengan memasangnya pada salah satu lengan jembatan wheatstone.
Gambar rangkaian jembatan wheatstone dengan RTD:

Persamaan rangkaian jembatan wheatstone:

Prinsip kerja rangkaian: Bila RTD berada pada suhu kamar maka beda potensial jembatan adalah 0 Volt. Keadaan ini disebut keadaan setimbang. Bila suhu RTD berubah maka resistansinya juga berubah sehingga jembatan tidak dalam kondisi setimbang. Hal ini menyebabkan adanya beda potensial antara titik A dan B. Begitu juga yang berlaku pada keluaran penguat diferensial.
Amplifier diferensial (penguat diferensial) menggunakan IC op-amp yang berfungsi untuk menguatkan tegangan keluaran dari rangkaian jembatan menjadi tegangan yang lebih besar. Jika rangkaian jembatan pada posisi setimbang maka pada titik A dan B mempunyai tegangan dan arus yang sama.

4. IC LM 35
Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu.
Rangkaian dasar IC LM 35:



Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/0C. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, sesor ini mampu bekerja pada rentang suhu -550C – 1500C. Tegangan keluaran dapat diatur 0 V pada suhu 00C dan ketelitian sensor ini adalah ± 10C. Data yang lebih lengkap dapat diunduh (didownload) di www.national.com/catalog/sg2261.html

Sensor Tekanan

Digunakan untuk mengubah tekanan menjadi induktansi.

Konstruksi sensor tekanan:

Prinsip Kerja :
Perubahan tekanan pada kantung menyebabkan perubahan posisi inti kumparan sehingga mengakibatkan perubahan induksi magnetik pada kumparan. Kumparan yang digunakan adalah kumparan CT (center tap), dengan demikian apabila inti mengalami pergeseran maka induktansi pada salah satu kumparan bertambah sementara induktansi pada kumparan yang lain berkurang. Kemudian pengubah sinyal berfungsi untuk mengubah induktansi magnetik yang timbul pada kumparan menjadi tegangan yang sebanding.
Pemanfaatan sensor tekanan: mengukur tinggi suatu cairan.
Untuk mengukur tekanan statis atau tinggi suatu cairan dapat ditentukan dengan rumus :
P = d.g.h
Keterangan:
P = tekanan statis (pascal)
D = kepadatan cairan ( kg/m3)
G = konstanta gravitasi (9,81 m/s2)
H = tinggi cairan (m)
Jenis sensor tekanan yang lain adalah tabung Bourdon.

LVDT (Linear Variabel differential Transformer).
Prinsip kerja:
Apabila tekanan dalam tabung bertambah, maka tabung akan bergerak menyusut dan bila tekanan pada tabung berkurang, maka tabung akan bergerak mengembang. Pergerakan tabung tersebut akam membuat inti LVDT akan tertekan dan tertarik ujung tabug sehingga LVDT akan menghasilkam nilai induktansi magnetik.
Kontruksi LVDT :

Untuk mengubah induksi magnetik LVDT menjadi listrik digunakan rangkaian :
Selain digunakan sebagai sensor tekanan LVDT juga bisa diaplikasikan untuk sensor perubahan posisi. Contoh pada mesin pengatur tebal kertas sebagai berikut :

Sensor Gaya

Berfungsi untuk mengubah gaya, beban, torsi dan regangan menjadi resistansi/hambatan.

Sensor ini terbuat dari kawat tahanan tipis berdiameter sekitar 1 mm. Kawat tahanan yang biasa digunakan adalah campuran dari bahan konstantan (60 % Cu dan 40 % Ni).

Kawat tahanan ini dilekatkan pada papan penyangga membentuk strain gage dengan tipe-tipe:

a. Bonded strain gage

Susunan kawat tahanan di dalamnya berliku-liku sehingga memudahkan pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus dengan arah panjang lipatan kawat, karena tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Dengan meregannya starin gage, maka terjadi perubahan resistansi kawat.
b. Unbonded strain gage

Jenis strain gage yang dibentuk dengan kawat tahanan yang terpasang lurus dan simetris. Jika papan atau rangka mendapat tekanan dari luar, maka resistansinya akan bertambah.
Konstruksi strain gage :

Strain gage dipasang/ditempelkan pada logam yang lentur yang dengan permukaan yang rata agar saat logam meregang strain gage juga ikut meregang tetapi tidak bergeser dar posisinya. Dengan melengkungnya besi/logam membuat strain gage melengkung juga/meregang sehingga resistansinya berubah.
Gambar proses peregangan strain gage yang ditempelkan pada logam :
Karakteristik strain gage dihitung dengan rumus :