b

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. (Dengan nama Allah yang Mahapengasih Mahapenyayang) Hampir sebagian besar aktivitas kehidupan kita saat ini bergantung pada alat-ala t elektronik. Dan, hampir sebagian besar peralatan elektronik—baik sebagai alat uk ur maupun alat kontrol—memerlukan komponen elektronik bernama sensor. Itulah sebab nya kita perlu mengenal lebih jauh tentang sang ‗penghubung‘ antara peralatan elektr onik 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 [email protected]. [email protected] id

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 ma upun sistem kontrol. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

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) • Karakte ristik, prinsip kerja, dan aplikasi beberapa macam sensor. • Pengertian tentang se nsor cerdas (smart sensor). Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]. [email protected] id

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Buku Acuan • Fraden, J., Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, Seco nd Edition, Springer-Verlag New York, Inc., New York, USA, 2004. • Ripka, P. dan T ipek, A., Modern Sensors Handbook, ISTE Ltd, London, UK, 2007. • Gopel, W., Hesse, J., Zemel, J. N., Sensor, Fundamentals and General Aspects, Vol. 1, VCH Verlang gesellschaff, Weinheim, 1989. • Gopel, W., Hesse, J., Zemel, J. N., Sensor, Mechan ical Sensors, Vol. 7, VCH Verlanggesellschaff, Weinheim, 1992. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Aturan (Kesepakatan Bersama) • Sistem Penilaian: - Tugas = 15% - Kuis = 15% - UTS = 35% - UAS = 35% • Sanksi: - M ahasiswa tidak diperkenankan mengikuti kuliah pada hari itu jika terlambat 15 me nit. - Mahasiswa tidak diperkenankan mengikuti UAS jika kehadirannya selama 1 (s atu) semester kurang dari 75%. - Mahasiswa yang kedapatan/terdeteksi melakukan k ecurangan dalam ujian, baik yang memberi maupun yang menerima, akan mendapatkan sanksi nilai 0 (nol) untuk nomor soal ybs. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Definisi • Sensor, berasal dari kata ―sense  (= merasakan atau mengindera), adalah ―Suatu piranti (device) yang menerima sinyal atau rangsangan (stimulus) dan meresp on sinyal tersebut dengan mengonversinya menjadi sinyal elektris . (Fraden, 2004) • Proses pengonversian besaran fisis menjadi sinyal elektris yang dapat diumpankan ke instrumen elektronik disebut transduksi (transduction). Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Definisi (lanjutan) • Rangsangan (stimulus) = ―besaran, sifat (property), atau kondisi fisis yang diinde ra dan dikonversi menjadi sinyal elektris (electrical signal).  • Besaran, sifat (pr operty), atau kondisi fisis yang diterima sensor itu dapat berupa: cahaya, tempe ratur, perpindahan (displacement), aliran fluida atau gas, beda potensial listri k, dan lain sebagainya. Jadi, bentuk fisis rangsangan itu dapat bersifat: mekani s (mechanical), panas (thermal), magnetik (magnetic), listrik (electric), optis (optical), kimia (chemical),… • Sinyal elektris = sinyal yang dapat disalurkan (chan elled), dikuatkan (amplified), dan dimodifikasi (modified) oleh piranti elektron ik. Yang termasuk sinyal elektris : tegangan, arus, muatan listrik, frekuensi, k apasitansi, resistansi, lebar pulsa, dlsb. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Sensor, Elemen Sensor & Sistem Sensor Menurut Hesse dan Kuttner (1983) serta Scholz (1986) dalam buku Sensors, A Compr ehensive Survey, Volume 1: • Elemen sensor (alias sensor elementer) = elemen utama (the primary element) suatu sensor. Contoh: - Chip sensor tekanan dari bahan se mikonduktor. - Strain gauge. • • Sensor = elemen sensor yang telah dilengkapi dengan ‗rumah‘ dan koneksi elektrisnya. Sistem Sensor = sensor yang telah dilengkapi dengan pemeroses sinyal (signal pro cessing)—analog maupun digital. Catatan: • Untuk keperluan praktis, perbedaan antara sensor dan elemen sensor ini tidak dipermasalahkan. Begitu pula perbedaan antara sensor dan sistem sensor. Ap alagi dengan adanya konsep sensor cerdas (smart or intelligent sensors), pembeda an itu menjadi semakin tidak jelas. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor • • Transduser: Sensor & Aktuator Drs. Wildian, M.Si. Transduser = piranti yang mengonversi suatu bentuk energi ke bentuk energi lainn ya (Fraden, 1996). Dalam suatu sistem instrumentasi elektronik, transduser dapat dikatagorikan sebagai sensor ataupun aktuator. - Sensor merupakan transduser masukan (input transducer)—yaitu transduser yang men gubah besaran fisis menjadi besaran elektris. Contoh: mikrofon—mengubah getaran ak ustik mekanis menjadi sinyal listrik. - Aktuator merupakan transduser keluaran (output transducer)—yaitu transduser yang mengubah besaran elektris menjadi besaran fisis dalam bentuk gerak (motion) ata u tindakan (action). Contoh: loudspeaker—mengubah (transduces) sinyal frekuensi au dio yang sudah dalam bentuk sinyal listrik menjadi medan magnetik yang berubah-u bah, sehingga menyebabkan terjadinya getaran akustik mekanis. Sinyal masukan (besaran fisis) Sensor Pengolah sinyal Aktuator Transduser keluar an Loudspeaker Sinyal keluaran (besaran fisis) Transduser masukan Penguat Mikrofon kondenser Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Sensor & Sistem Instrumentasi Elektronik • • Sensor merupakan ujung tombak suatu sistem instrumen elektronik (terutama pada s istem pengukuran dan sistem kontrol). Sensor membantu instrumen elektronik untuk ―mendengar, ―melihat, ―mencium (―smell), ―mengecap  (―taste), dan ―menyentuh  (―touch) mengubah/mengonversi sinyal fisis atau kimia suatu obyek menjadi sinyal elektri s. Catatan: Sinyal Eksitasi Dalam sistem instrumentasi, eksitasi = catudaya Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Dari Sensor ke Pengguna (User) Drs. Wildian, M.Si. • • Sensor menerima rangsangan berupa besaran fisis dan kemudian mengubahnya menjadi sinyal elektris. Sinyal elektris ini boleh jadi sangat lemah (sehingga perlu di kuatkan) atau mengandung noise yang cukup mengganggu (sehingga perlu ditapis). D engan kata lain, sinyal dari besaran fisis ini perlu dikondisikan terlebih dahul u oleh pengondisi sinyal sebelum diproses lebih lanjut. Jika pemerosesan sinyal dilakukan secara digital, maka sinyal elektris yang umumnya bertipe analog ini h arus diubah dulu ke bentuk digital dengan menggunakan ADC (analog-to-digital con verter). Pengguna (user) pada diagram blok di atas adalah manusia. Oleh sebab it u, keluaran sistem instrumen biasanya merupakan suatu tampilan visual, seperti s kala meteran ataupun pada layar monitor CRT (cathode ray tube); atau bisa juga d alam bentuk audio seperti ucapan ataupun alarm. [email protected] • • Jurusan Fisika Universitas Andalas

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Sensor Aktif & Sensor Pasif • Sensor Aktif = sensor yang memerlukan sumber listrik ac atau dc dari luar (ekste rnal) untuk dapat berfungsi. Contoh: Strain gauge (sensor tekanan)  perlu catuday a 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 tem peratur)  dari panas yang diinderanya dihasilkan tegangan. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Tahapan dalam Memilih Sensor 1. 2. 3. Identifikasi besaran fisis (stimulus) yang hendak diukur. Spesifikasi b esaran fisis tersebut. Pastikan keakuratan yang diperlukan, lamanya pengujian/pe ngukuran, dan perilaku siklik sensor atau faktorfaktor lainnya. Pertimbangkan li ngkungan di mana sensor akan ditempatkan. Jangan lupa mengalibrasi sensor. (Perh atikan interval dan tipe pengalibrasiannya.) 4. 5. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Klasifikasi Sensor Menurut tipe energi yang dideteksinya, ada 6 (enam) bentuk energi yang dapat dik onversi menjadi sinyal elektris, yaitu: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Energi Mekanik  Sinyaln ya berupa gaya, tekanan, kecepatan, percepatan, dan posisi. Energi Magnetik  Siny alnya berupa intensitas medan magnetik, kerapatan fluks, dan magnetisasi. Energi Radiasi Elektromagnetik  Sinyalnya berupa besaran-besaran gelombang elektromagne tik seperti intensitas, panjang gelombang, polarisasi, dan fasa. Energi Radiasi Nuklir  Sinyalnya berupa intensitas radiasi. Energi Panas (thermal)  Sinyalnya ber upa temperatur, fluks kalor (heat flux), atau aliran kalor. Energi Kimia  Sinyaln ya berupa besaran internal zat seperti konsentrasi material tertentu, komposisi, atau laju reaksi. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Jenis energi yang dapat dikonversi menjadi sinyal listrik (Buchla & McLachlan) Jenis energi Mekanik Magnetik Contoh Sensor Keterangan Strain gauge Sensor Efek Hall Antena Regangan sebanding dengan perubahan resistansi Arus yang mengalir di dalam konduktor piranti Efek Hall menghasilkan tegangan. Mengubah energi elektr omagnetik menjadi energi listrik (antena penerima). Radiasi Elektromagnetik Radiasi nuklir Kamar Ionisasi Arus listrik di antara elektroda(Ionization elektrodanya sebandin g dengan radiasi chamber) pengionan (ionizing radiation). Termokopel Tegangan ke luarannya sebanding dengan selisih temperatur kedua kawat logam yang digabungkan pada salah satu ujungnya. Ukuran konsentrasi ion hidrogen di dalam suatu laruta n. [email protected] Panas Kimia Sensor pH Jurusan Fisika Universitas Andalas

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Contoh TA dengan Sensor Sistem Peringatan Dini Tsunami Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Dengan Sensor Fot odioda Oleh: Yustinar (06214055), S2. Rancang-bangun Sistem Penginderaan Laju Surut Air Dengan Sensor Fotodioda Oleh: Fuad Syukri (03135012 ), S1. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor No. 1. 2. 3. 4. Tugas 1 Besaran masukan Drs. Wildian, M.Si. Besaran keluaran Nama Sensor/transduser Termokopel Termistor RTD LDR 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. LED Fotodioda Sel Surya (Solar Cell) Mikrofon Loudspeaker Load Cell Strain Gauge Pie zo-electric Crystal GMR 14. 15. LVDT Accelerometer [email protected] Jurusan Fisika Universitas Andalas

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 (fi beroptic) pertama-tama akan mengakibatkan regangan di dalam serat tersebut, sehi ngga indeks biasnya berubah, yang pada gilirannya mengakibatkan perubahan menyel uruh dalam transmisi optis dan modulasi kerapatan foton. Akhirnya, fluks foton t erdeteksi dan dikonversi menjadi arus listrik. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Sinyal Masukan & Sinyal Keluaran • Sinyal masukan sensor = besaran fisis (variabel) yang hendak diukur (lazim diseb ut measurand). Contoh: Tekanan di dalam aktuator hidrolik pesawat terbang. Tekan an ini bervariasi dari 0 hingga 3000 psi. • Sinyal keluaran sensor = sinyal listri k analog yang dihasilkan sensor. Contoh: Tegangan 5 V sebagai representasi tekan an 3000 psi. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Karakteristik Sensor Karakteristik sensor: - Karakteristik statik - Karakteristik dinamik Karakteristik Statik = Sifat-sifat sensor setelah semua efek peralihan (transien t effects) mencapai keadaan stabil (steady state). No. Statik 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Akurasi Presisi Resolusi Sensitivitas Linieritas Kesalahan kalibrasi Histeresis Keluaran skala penuh Saturasi Kemampuan pengulan gan Dead band Span Drift Impedansi keluaran Karakteristik Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Dinamik Fungsi transfer Tanggapan frekuensi Tanggapan impuls Tanggapan perubahan masukan Karakteristik Dinamik = Sifat-sifat sensor yang berubah ketika merespon sinyal m asukan. 11 12 13 14 15 Eksitasi Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Rentang • Rentang sensor = nilai maksimum dan nilai minimum parameter (bersaran) masukan y ang dapat diukur. • Contoh: NTC thermistor sensors are normally used for a tempera ture range of -40°C to +300°C. • Kurva karakteristik sensor diperlukan untuk mengetahu i di mana dan kapan sensor tersebut bisa digunakan secara linier. NTC THERMISTORS (http://www.epcos.com) Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Lebar-rentang • • • Lebar-rentang (span), disebut juga skala penuh masukan (input full scale, dising kat FS), adalah rentang pada sumbu-x dari nol hingga nilai maksimum yang aman di gunakan. Lebar-rentang sering dinyatakan sebagai daerah antara titik 0% dan titi k 100%. Lebar-rentang = selisih aljabar antara batas atas dan batas bawah rentan g. Lebar-rentang = Xmaks – Xmin • Contoh: Dalam rentang dua temperatur, -25oC hingga 100oC. -25oC  batas rentang ba wah 100oC  batas rentang atas Lebar-rentang = 100oC – (-25oC) = 125oC Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. 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 dite rapkan terhadap sensor. • FSO haruslah mencakup semua deviasi (yang diukur) dari f ungsi transfer ideal. Fraden, J., 2004, Handbook of modern sensors : physics, designs, and application s. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Titik Nol • Titik nol (the zero point) merupakan hal yang penting diketahui ketika kita hend ak 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 [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Offset Keluaran  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). y 100% FSO Kurva sesungguhnya (actual) Kurva yang diharapkan (ideal) x 0 Masukan 100% FS Offset  Namun, apabila offset memang sengaja diadakan (deliberately set up), penyimpanga

n 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. [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Fungsi Transfer • Hal terpenting yang perlu kita ketahui ketika mengkarakterisasi sebuah sensor ad alah fungsi transfernya. • Fungsi transfer (fungsi alih) = fungsi yang memperlihatkan hubungan antara sinya l keluaran sensor (berupa sinyal elektris) dan sinyal masukannya (stimulus/besar an fisis). Besaran fisis (masukan) Sinyal elektris (keluaran) • • Sinyal masukan sensor dapat berupa temperatur, intensitas cahaya, kecepatan, gay a, dlsb. Sinyal keluaran sensor dapat berupa tegangan, resistansi, kapasitansi, dlsb. [Ca tatan: Sinyal keluaran sensor (resistansi, kapasitansi, frekuensi,…) umumnya dimod ifikasi ke bentuk tegangan.] [email protected] Jurusan Fisika Universitas Andalas

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 serin g juga disebut sensitivitas (sensitivity). • Hubungan yang tak-linier, seperti: fungsi logaritmik: y  a  b ln x - fungsi eksponensial: - fungsi pangkat: Jurusan Fisika Universitas Andalas y  a e kx y  a0  a1 x k [email protected] dengan k adalah suatu bilangan konstan.

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Contoh Fungsi Transfer • Berikut ini adalah fungsi transfer sensor tekanan MPX2100DP yang digunakan sebag ai sensor tekanan darah pada rancang-bangun Tensimeter Digital (Yeni Marnis, Skr ipsi 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 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -15 10 35 (y = 2,5019 x – 0,1472) y = 2.5019x - 0.1472 R2 = 0.9998 menginformasikan bahwa sensor ini mengonversi setiap perubahan tekanan sebesar 1 kPa menjadi perubahan tegangan sebesar kira-kira 2,5 mV. 110 Tegangan (mV) 60 85 Tekanan (kPa) Jurusan Fisika Universitas Andalas Jadi, sensitivitas sensor tsb adalah 2,5019 mV/kPa, dan gelincirannya adalah -0, 1472 mV. [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Fungsi Transfer yang Tak-linier • Untuk fungsi transfer yang tak-linier, sensitivitas bukan merupakan bilangan tet ap 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 di modelkan oleh beberapa garis lurus. Cara ini disebut aproksimasi piece-wise. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Linieritas Drs. Wildian, M.Si. • Linieritas (linearity) atau kelinieran = kedekatan kurva kalibrasi terhadap suat u 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, a tau dalam bentuk nilai terukurnya, misalnya dalam kPa atau 0C. • Cara menentukan k etaklinieran: - Menggunakan titik-titik terminal (terminal points) - Menggunakan metoda kuadrat terkecil (method of least squares) - Menggunakan perangkat-lunak Microsoft Office EXCEL. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Menggunakan Titik-titik Terminal 1. 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 menja di lebih besar pada titik-titik yang berada di antara kedua titik tsb. Garis 2 adalah garis lurus paling cocok. Jurusan Fisika Universitas Andalas 2. Fraden, J., 2004, Handbook of modern sensors : physics, designs, and application s. [email protected]

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 kemi ringan (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) [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Menggunakan EXCEL 1. 2. 3. 4. Buka Microsoft Office Excel Ketikkan nilai-nilai masukan (x) pada ko lom A dan nilai-nilai keluaran (y) pada kolom B. (Boleh juga kolom-kolom lain, a salkan 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 besara n 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 Ad d Trendline. Pilih ―Linear  pada Type, lalu klik Options dan pilih ―Display equation o n chart serta ―Display R-squared value on chart  sehingga muncul persamaan linier dan nilai R2 pada grafik. 5. 6. 7. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor X (oC) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Y (mV) 0 2 4.3 Tegangan (mV) Hasilnya…. 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 Temperatur (oC) Drs. Wildian, M.Si. Karakteristik Sinyal Keluaran Sensor y = 2.0055x + 0.0273 R2 = 0.9986 Series1 Linear (Series1) 6.1 7.9 10 11.5 14.5 16.2 18 20.1 R = koefisien korelasi • Persamaan linier (fungsi transfer) dari karakteristik sensor tsb: y = 2,0055 x + 0,0273 Offset Jurusan Fisika Universitas Andalas : a = 0,0273 mV Sensitivitas : b = 2,0055 mV/oC [email protected]

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 u kuran logaritmik nisbah (ratio) daya atau pun gaya (tegangan). • Desibel = 10 kali log nisbah daya: P2 1 dB  10 log P 1 • Desibel = 20 kali log gaya (atau arus, atau tegangan): s2 1 dB  20 log s1 Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Sensitivitas • Sensitivitas sensor = masukan minimum parameter fisis yang akan mengakibatkan pe rubahan keluaran yang dapat terdeteksi, atau … = perubahan tegangan keluaran sebag ai akibat perubahan nilai parameter masukannya, atau… = kemiringan (the slope) kur va karakteristik keluaran sensor (Dy/Dx). • Sensor dengan sensitivitas tinggi (hig h sensitivity) lebih disukai karena dapat menghasilkan keluaran yang besar denga n masukan sinyal yang kecil. • Contoh: Sensor tekanan darah bisa memiliki tingkat sensitivitas sebesar 10 mV/mm Hg, yang berarti akan ada tegangan keluaran 10 mV untuk tiap volt potensial eksi tasi dan tiap mmHg tekanan yang diberikan. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor +Y(x) Drs. Wildian, M.Si. Kurva Sensitivitas Kurva sensitivitas ideal Kurva sensitivitas sesungguhnya Ymaks Rentang dinamik atau rentang total -x (0,0) DY Dx Sensitivit as : b  DY Dx +x Rentang dinamik Ymin = rentang total keluaran sensor = Keluaran skala penuh (Full Scale Output, FSO) Rdin  Ymaks  Ym in -Y(x) Terkait dengan sensitivitas, ada dua jenis kesalahan (errors) yang termasuk kara kteristik suatu sensor, yaitu: saturasi dan ―dead-bands . Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. • Hampir semua sensor memiliki batas-batas pengoperasian. Meskipun sensor tersebut dianggap linier, namun linieritasnya terbatas. Sensor bersifat responsif (mengh asilkan sinyal keluaran yang sebanding dengan nilai masukannya) hanya sampai pad a batas-batas tertentu. Bila stimulus (nilai masukan) terus ditingkatkan, sensor tidak lagi menghasilkan keluaran yang diharapkan. Dengan kata lain, sensitivita snya menurun atau bahkan tidak sensitif sama sekali (b = 0). • Saturasi (saturatio n) = daerah kerja sensor setelah rentang linier di mana responnya terhadap masuk an tidak lagi menghasilkan keluaran yang diharapkan. Jurusan Fisika Universitas Andalas Saturasi Keluaran Masukan Rentang linier Saturasi [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Dead-bands • Daerah Mati (dead band) adalah ketidaksensitifan sensor dalam suatu rentang tert entu ketika sudah ada sinyal masukannya. • Dalam rentang tersebut, sinyal keluaran nya masih ‗bertahan‘ di dekat nilai tertentu (biasanya di sekitar nol) dalam suatu z ona dead band keseluruhan. Perhatikan: Saturasi terjadi setelah ujung rentang li nier, sedangkan dead-bands biasanya terjadi sebelum pangkal rentang linier fungs i transfer sensor. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected] Keluaran Masukan Dead band

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. Ja di, akurasi di sini berarti ketakakuratan (inaccuracy), yaitu selisih maksimum a ntara nilai keluaran sensor dari nilai masukan ideal/sesungguhnya (actual input) . Selisih = deviasi = kesalahan (error). Kesalahan Mutlak  Nilai Sesungguhn - Nilai Terukur ya Kesalahan Mutlak Kesalahan Relatif  Nilai Sesungguhnya Jadi, dalam bentuk persen kesalahan, akurasi dirumuskan sebagai Nilai Sesungguhnya - Nilai Terukur Akurasi   100 % Nilai Sesungguhnya Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

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 perp indahan. Namun, dalam praktiknya, sensor tersebut menghasilkan tegangan keluaran sebesar, misalnya, y = 10,5 mV untuk perpindahan sejauh x = 10 mm. Dengan mengo nversi-balik nilai tegangan keluaran (y) ini menjadi perpindahan (x’) tanpa kesala han, yaitu 1/b = 1 mm/mV, maka diperoleh perpindahan sebesar x’ = 10,5 mm. Jadi, a da selisih sebesar x’ - x = 0,5 mm lebih besar dari nilai sebenarnya/aktualnya. Ke lebihan 0,5 mm inilah yang disebut deviasi alias simpangan alias kesalahan (erro r) dalam pengukuran tersebut. Oleh sebab itu, dalam rentang 10-mm itu, ketakakur atan atau kesalahan mutlak sensor ini adalah 0,5 mm, dan kesalahan relatifnya ad alah (0,5 mm/10 mm) x 100% = 5%. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Tingkat Keakuratan • Tingkat keakuratan (accuracy rating) meliputi efek gabungan dari variasi bagianper-bagian (part-to-part variations), histeresis, dead band, kesalahan-kesalahan kalibrasi dan repeatability. • Tingkat keakuratan dapat direpresentasikan dalam beberapa bentuk: - Langsung dal am bentuk nilai yang terukur (Δ). - Dalam persen lebar-rentang skala penuh (span) - Dalam bentuk sinyal keluaran. • Contoh: Sebuah sensor piezoresistif mempunyai sk ala penuh masukan 100 kPa dan keluaran skala penuh 10 Ω. Ketakakuratannya dapat di tentukan sebagai 0,5%, atau 500 Pa, atau 0,05 Ω. • Pada sensor modern, spesifikasi keta kakuratan seringkali digantikan oleh suatu nilai ketakpastian (uncertainty) yang lebih komprehensif karena ketakpastian terdiri dari seluruh efek distorsi/gangg uan, baik yang sistematik maupun yang acak, dan tidak terbatas pada ketakakurata n suatu fungsi transfer. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Presisi • Presisi (precision) = Kemampuan alat ukur untuk memberikan pembacaan yang sama k etika pengukuran besaran yang sama dilakukan secara berulang pada kondisi yang s ama. NB: Oleh karena sensor merupakan ujung tombak alat ukur, maka definisi di a tas juga berlaku untuk sensor. • Presisi menggambarkan seberapa dekat nilai-nilai hasil pengukuran antara satu dengan yang lain dalam suatu pengukuran yang berula ng. • Dengan kata lain, presisi menggambarkan tingkat ketelitian alat ukur. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Presisi vs. Akurasi ….jika nilai tersebut : Drs. Wildian, M.Si. Nilai yang diperoleh dari suatu eksperimen dikatakan: akurat (accurate) dekat dengan nilai sesungguhnya, tetapi ketakpastiannya bisa sembarang (bisa bes ar atau kecil). teliti (precise) memiliki ketakpastian yang kecil, tetapi ini bukan berarti nilai tersebut dekat dengan nilai sesungguhnya. dekat dengan nilai sesungguhnya dan sekaligus memiliki ketakpastian yang kecil. akurat dan teliti Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Presisi vs. Akurasi Drs. Wildian, M.Si. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Presisi vs. Akurasi Presisi Akurasi  Reproducibility  Ketepatan  Diuji dengan cara pengukuran  Diuji dengan menggunakan berulang metode yang berbeda  Presisi yang rendah (poor  Akurasi yang rendah beras

al precision) berasal dari dari kesalahan prosedural cara/teknik pengukuran yang atau kerusakan alat. kurang baik. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

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 ut ama yang harus dicapai dalam pengukuran adalah menghasilkan suatu pengukuran yan g tepat (akurat), karena ketelitian (precision) tanpa ketepatan (accuracy) hanya akan menyesatkan (misleading). Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

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 ke dua hasil pengukuran tsb dapat disimpulkan:  Alat ukur A lebih presisi daripada B karena hasil pengukuran dengan alat ukur A memiliki ketakpastian yang lebih kec il ( 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 [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Repeatability Keluaran y 100% FSO Kurva 1 Kurva 2  Repeatability = Selisih antara dua pembacaan keluaran (output readings) dalam su

atu pengukuran berulang untuk suatu nilai masukan yang sama yang didekati dari a rah yang sama dan dengan kondisi kerja yang serupa.  Repeatability biasanya dinyatakan dalam % FSO.  Syarat : 1. Proses pengukurannya sama 2. Pengamatnya sama 3. Instrumen (alat ukurnya) sama, dan digunakan pada ko ndisi yang serupa. 4. Lokasi pengukurannya sama 5. Pengulangan pengukuran dilaku kan dalam selang waktu yang singkat. [email protected] Repeatability X Masukan x 100% FS John G. Webster: Measurement, Instrumentation, and Sensors, © 1999 by CRC Press LL C. Jurusan Fisika Universitas Andalas

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Keluaran y 100% FSO Kurva 1 Kurva 2  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. Histeresis X Masukan x 100% FS  Penyebabnya:  Keterlambatan aksi elemen pengindera (Kasus pada sensor mekanik).  K

eterlambatan penjajaran momen-momen magnet dalam dalam merespon medan magnetik e ksternal (Kasus pada sensor magnetik). [email protected] Gopel, W.,1989, Sensors A Comprehensive Survey, Vol. 1. Jurusan Fisika Universitas Andalas

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 (t idak mulus sempurna), meskipun di bawah kondisi tanpanoise. Sinyal keluaran ini berubah dalam bentuk jenjang-jenjang kecil (small steps). • Resolusi = Kenaikan te rkecil (the smallest increment) pada masukan yang menghasilkan kenaikan yang dap at terdeteksi pada keluaran sensor. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]. [email protected] id

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.  • Un tuk 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 mem iliki skala penuh 270o, maka resolusi sebesar 0.5o dapat dinyatakan sebagai Reso lusi = (0.5o/ 270o) x 100% = 0,185% • Resolusi sensor-sensor berformat keluaran di gital diberikan oleh jumlah bit dalam data word. Contoh: resolusi dapat dinyatak an 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 le ast significant bit). Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Karakteristik Dinamik Drs. Wildian, M.Si. • Ketika stimulus masukan berubah-ubah terhadap waktu, respon sensor umumnya tidak mampu mengikuti perubahan-perubahan itu dengan sempurna. • Penyebabnya: sensor da n penggandengnya (its coupling) dengan sumber stimulus tidak selalu dapat meresp on dengan seketika (instantly). • Karakteristik sensor yang bergantung waktu diseb ut karakteristik dinamik (dynamic characteristic). • Jika suatu sensor tidak dapat merespon seketika, maka nilai stimulus yang ditunjukkan (yang keluar dari senso r itu) boleh jadi sedikit berbeda dengan nilai stimulus yang sesungguhnya. Dikat akan bahwa sensor itu merespon dengan suatu kesalahan dinamik (dynamic error). • A pabila sebuah sensor merupakan bagian dari suatu system kontol yang juga memilik i karakteristik dinamik sendiri, maka kombinasi kedua karakteristik dinamik itu dapat menyebabkan osilasi. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

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, sinu soidal, white noise…. • Untuk menganalisis karakteristik dinamik sensor digunakan modelmodel dinamik (dy namic models). Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Model Dinamik • Respon dinamik sensor biasanya dianggap linier. Oleh sebab itu, respon dinamik i ni 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 me ngonversi persamaan diferensial tersebut menjadi pernyataan polinomial (a polyno mial expression). Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Transformasi Laplace sebagai Perluasan Trans. Fourier • Analisis Fourier terbatas hanya untuk sinyal-sinyal sinusoidal. x(t )  sin t  e  jt

• Analisis Laplace juga dapat digunakan untuk menganalisis perilaku eksponensial. x(t )  e Jurusan Fisika Universitas Andalas t

sin t  e  (  j ) t

[email protected]

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 =  + j - Komponen real  mendefinisi kan perilaku eksponensial yang real - Komponen imajiner mendefinisikan frekuensi perilaku yang bergetar (oscillatory behavior). • Hubungan dasarnya: • Hubungan penting lainnya: Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Transformasi Laplace (review) Drs. Wildian, M.Si. • 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 sens or tersebut seperti - komponen-komponen osilasi (oscillating components) - Pelur uhan eksponensial (exponential decays) - Ketakstabilan (instability) Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Lokasi Kutub dan Perilaku Dinamik Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Sensor-sensor Orde-Nol Drs. Wildian, M.Si. • 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. Jurusan Fisika Universitas Andalas • 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. [email protected]

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 melepa skan energi tsb. • Bentuk responnya: Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Respon Sensor Orde-1 Drs. Wildian, M.Si. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Contoh Sensor Orde-1 Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Sensor Orde-2 Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Step Response Orde-2 Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Respon Orde-2 (Lanjutan…) Drs. Wildian, M.Si. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Contoh Sensor Orde-2 Drs. Wildian, M.Si. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Waktu-pemanasan • Waktu-pemanasan (warm-up time) = waktu yang diperlukan sejak penerapan daya (ata u sinyal eksitasi) ke sensor hingga saat sensor itu dapat beroperasi dalam ketel itian tertentunya. • Banyak sensor memiliki waktu-pemanasan yang singkat, sehingga dapat diabaikan. T etapi, ada beberapa detektor, khususnya yang beroperasi dalam lingkungan yang di kontrol secara termal (seperti termostat, misalnya) bisa memerlukan waktu-pemana san beberapa detik atau bahkan bermenit-menit sebelum detektor tersebut beropera si secara penuh dalam batas-batas ketelitian yang ditentukan. Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]

Sistem Sensor • Respon frekuensi (frequency response) : - Mencirikan seberapa cepat suatu sensor dapat bereaksi terhadap perubahan yang terjadi pada stimulus masukan. - Dinyatakan dalam Hz atau rad/sec untuk mencirikan penurunan relatif (relative reduction) dalam sinyal keluaran pada frekuensi tertentu. Bilangan penurunan (at au disebut juga batas frekuensi) yang lazim digunakan adalah –3 dB. Bilangan ini m enunjukkan pada frekuensi berapa frekuensi tegangan (atau arus) keluaran turun s ebesar kira-kira 30%. Drs. Wildian, M.Si. Respon Frekuensi • Batas respon frekuensi sering disebut frekuensi-potong atas (upper cutoff freque ncy), (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/det ektor dalam suatu kasus, tergantung pada tipe sensor itu, aplikasinya, dan saran /preferensi perancang. [email protected]

Sistem Sensor Drs. Wildian, M.Si. Waktu Respon • Waktu respon (response time) = selang waktu antara perubahan pada besaran yang d iukur dan waktu alat ukur membaca nilai kesetimbangan baru. • Respon ini sering di definisikan dalam istilah waktu berikut: waktu mati (dead time), waktu naik (ris e time), dan waktu menetap (settling time). Sayer and Mansingh, 2000, Measurement, Instrumentation and Experiment Design in Physics and Engineering, Jurusan Fisika Universitas Andalas [email protected]