BAB 2 LANDASAN TEORI. Sejalan dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, sistem pengukuran

Transkripsi

1 6 BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 PENDAHULUAN Sejalan dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, sistem pengukuran dan pengendalian atau instrumentasi semakin berperan penting dalam kehidupan manusia. Sistem tersebut amat membantu pekerjaan-pekerjaan manusia, baik pekerjaan yang bersifat monoton dan kontinyu maupun pekerjaan dinamis dan sensitif. Sebagai contoh, penerapan sistem pengendali pada sistem pengemudi pesawat terbang, pengendali pesawat ruang angkasa, pengendali satelit, dan sistem persenjataan peluru kendali. Dalam bidang industri, sistem pengendali diterapkan sebagai pengendali mesin-mesin produksi dan pengendali proses yang mengubah masukan berupa energi nonlistrik menjadi besaran listrik agar dapat diolah, baik secara analog maupun digital. Beberapa proses industri yang membutuhkan sistem pengendali multi inputmulti output serta permasalahan yang kompleks dapat diatasi dengan kemajuan sistem instrumentasi atau sistem pengendali didukung oleh kemajuan teknologi komputer.

2 7 Salah satu elemen penting sistem instrumentasi dan pengendali adalah Transducer. Transducer akan mengubah energi nonlistrik menjadi energi listrik sehingga proses pengendalian dapat dilakukan baik secara otomatik maupun manual Transducer sebagai Elemen Sistem Instrumentasi dan Pengendali Elektronik Sistem instrumentasi dan pengendali elektronik pada dasarnya terdiri dari tiga bagian pokok. Bagian-bagian pokok sistem instrumentasi dan pengendali elektronik tersebut adalah bagian input/masukan, bagian pengkondisi sinyal/ processor, dan bagian output. Ketiganya dapat bersama-sama melakukan proses pengendalian dan menampilkan hasilnya, baik digital maupun analog. Bagian input memungut besaran atau parameter nonlistrik yang terukur dan mengirimkan dalam bentuk besaran listrik yang sesuai ke bagian pengkondisi sinyal. Bagian pengkondisi sinyal melakukan proses mengkondisikan sinyal masukan ke dalam suatu format tertentu. Pengkondisian dapat berupa operasi aritmatik maupun logik. Selanjutnya, sinyal yang sudah terkondisi dapat ditampilkan melalui bagian keluaran atau untuk melakukan proses gerak mekanik sebuah mesin. Bagian output berfungsi untuk menampilkan sinyal keluaran baik berupa tampilan analog maupun digital. Bentuk keluaran dapat berupa tampilan display sevent segment, LED, dan meter atau perekam grafik. Pada umumnya input pada sistem instrumentasi berupa besaran nonlistrik yang harus diubah ke dalam besaran listrik dengan menggunakan Transducer. Oleh karena

3 8 itu, sinyal ini dapat dikondisikan melalui proses elektronik. Dengan memahami fungsi kerja Transducer tersebut maka Transducer dapat didefinisikan sebagai piranti yang mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Penerapan Transducer dalam bidang industri umumnya sebagai piranti yang mengubah parameter seperti temperatur, tekanan, intensitas cahaya, kelembapan, derajat ph (tingkat keasaman), dan lain-lain menjadi sinyal elektronik. baik digital maupun analog. Penguat Sinyal Transducer Amp Pengolah sinyal Output Gambar 2.1 Blok diagram sistem pengendali atau intrumentasi elektronik Klasifikasi Transducer/Sensor Beberapa jenis Transducer dapat diklasifikasikan sesuai dengan prinsip pengubahan energi, sinyal keluaran, atau berdasarkan bidang pemakaian. Tabel berikut ini menunjukkan klasifikasi Transducer yang didasarkan pada prinsip kelistrikannya.

4 Transducer Pasif Transducer ini tidak dapat menghasilkan tegangan sendiri tetapi dapat menghasilkan perubahan nilai resistansi, kapasitansi, atau induktansi apabila mengalami perubahan kondisi sekeliling. Jika Transducer ini mengalami perubahan kondisi pada lingkungan sekelilingnya maka nilai resistansinya akan berubah. Perubahan ini selanjutnya menyebabkan perubahan besar tegangan atau kuat arus yang dihasilkan Transducer. Perubahan resistansi ini dapat bernilai positif (nilai resistansi bertambah) berarti tegangannya juga meningkat atau negatif (nilai resistansi berkurang) berarti tegangannya berkurang. Perubahan tegangan inilah yang dimanfaatkan untuk mengetahui keadaan yang ingin diukur. Ada tiga jenis Transducer pasif yang dapat kita peroleh di pasaran, yaitu Transducer kapasitif, Transducer induktif, dan Transducer photo. a. Transducer Resistif Prinsip kerja dan penerapan Transducer berdasarkan jenisnya ditampilkan pada tabel berikut ini. Tabel 2.1 Jenis-jenis Transducer Resistif Jenis Transducer Prinsip Kerja Jenis Penerapan Potensio meter Resistif Perubahan positif (karena gerakaneksternal) menjadi perubahan resistansi potensiometer ataurangkaian jembatan Transducer tekanan, posisi

5 10 Strain Gage RTD (Resistance Temperatur Detector) Thermistor Hygrometer Resistif Psychrometer Tekanan eksternal mengubah resistansi pcnghantaran atau semikonduktor Perubahan suhu mempengaruhi resistansi logam murni yang mempunyai koefisien suhu positif. Perubahan suhu mempengaruhi resistansi logam teroksidasi yang mempunyai koefisien suhu negatif. Resistansi elektrode turun bila kelembapan udara di sekelilingnya naik atau bertambah. Perbedaan suhu pada elektrode kering dan elektrode basah menghasilkan perubahan tegangan. Transducer berat, tekanan, posisi Transducer suhu Transducer suhu Transducer kelembapan Transducer kelembapan b. Transducer Kapasitif dan Transducer Induktif Prinsip kerja Transducer ini adalah mengubah perubahan besaran nonlistrik menjadi perubahan nilai kapasitansi atau nilai Induktif. Berikut ini disajikan prinsip kerja dan penerapan Transducer Induktif berdasarkan jenisnya. Transducer tekanan Perubahan tekanan fisis seperti Transducer tekanan tekanan gas atau cairan menye Jenis Transducer babkan perubahan Prinsip Kerja induktansi Jenis Penerapan Transducer Kapasitif Kapasitas magnetik. antara dua dielektrik, Transducer tinggi berubah disebabkan oleh kondisi cairan, fisis seperti tinggi cairan, Transducer tekanan, komposisi larutan, tekanan kepa ketebalan,kepadatan, aliran, dan datan ketebalan. panjang Transducer Induktif LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Perubahan posisi inti (cern) me nyebabkantimbulnya tegangan pada kumparan sekunder. Transducer tekanan, posisi

6 11 Tabel 2.2 Jenis-jenis Transducer Kapasitif dan Induktif c. Transducer Photo Transducer photo dapat mengubah besar arus listrik jika dikenai cahaya/ sinar. Arus listrik inilah yang dimanfaatkan untuk mengetahui keadaan yang ingin diukur, misalnya gelap terangnya suatu ruangan. Kondisi lain yang dapat diukur adalah kondisi yang memanfaatkan sinar sebagai bagian utamanya. Ada beberapa jenis Transducer photo dan masing-masing mempunyai prinsip kerja yang berbeda-beda. Berikut ini disajikan tabel jenis jenis Transducer photo berikut prinsip kerja dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. Tabel 2.3 Jenis-jenis Transducer photo Jenis Transducer Prinsip Kerja Jenis Penerapan Photoconductive Photodiode Phototransistor Optocoupler Transducer Aktif Konduktivitas pada suatu bahan berubah bila terkena cahaya. Arus reverse berubah sesuai intensitas cahaya pada diode tersebut. Intensitas cahaya yang jatuh pada transistor photo menyebabkan transistor dalam kondisi cut off atau saturasi. Mengubah pulsa menjadi sinar infra merah, sinar infra merah mentriger detector photo. sakelar cahaya, Transducer cahaya. sakelar cahaya relay, sakelar cahaya Transducer ini tidak memerlukan catu daya eksternal. Transducer ini malah dapat

7 12 menghasilkan energi listrik. Berikut ini disajikan prinsip kerja dan penerapan Transducer aktif berdasarkan jenis jenisnya. Tabel 2.4 Jenis-jenis Transducer aktif Jenis Transducer Prinsip Kerja Jenis Penerapan Thermokopel dan Thermopile Energi listrik muncul bila sambungan dua jenis semikonduktor logam yang berbeda dikenai panas.. Transducer suhu, pancaran panas. Cell Photovoltaic Energi listrik atau tegangan muncul bila sebuah hubungan semikonduktor mendapat pancaran sinar. Transducer cahaya. pembangkit tegangan energi sinar (solar cell). 2.2 Transducer / Sensor Yang Sering Diaplikasikan Pada Robot Terdapat berbagai macam sensor yang digunakan dalam teknik robotik.

8 13 Keberagaman ini juga termasuk dalam hal cara pengukuran dan cara interfacing ke kontroler. Dari segi tipe output dan aplikasinya sensor dapat diklasifikasikan seperti pada tabel 2.5 berikut ini. Tabel 2.5 Klasifikasi sensor berdasarkan tipe output Output Sensor Biner (I/O) Analog, misal (0 5)V Pulsa, misal PWM Data serial, misal RS232 atau USB Jalur paralel/bus Contoh aplikasi / sensor Sensor tactile (limit switch, TX-RX infra-merah) Sensor temperatur, accelerometer Giroskop (gyroscope) digital Modul Global Positioning System (GPS) Kamera digital, rotary encoder dilengkapi IC HCTL2000/2020 Dari sudut pandang robot, sensor dapat diklasifikasikan dalam dua kategori, yaitu sensor lokal (on-board) yang dipasang di tubuh robot, dan sensor global, yaitu sensor yang diinstall di luar robot tapi masih tapi masih dalam lingkungannya (environment) dan data sensor global ini dikirim balik ke robot melalui komunikasi nirkabel (tanpa kabel). Dalam skala besar contoh sensor global ini adalah kamera yang terpasang pada satelit GPS yang mampu menangkap citra di lingkungan robot jauh dari atas Sensor Biner Sensor biner menghasilkan output 1 atau 0 saja. Setiap perangkat sensor pada

9 14 dasarnya dapat dioperasikan secara biner dengan menggunakan sistem threshold atau komparasi pada outputnya. Contoh yang paling dasar adalah limit switch yang dioperasikan sebagai sensor tabrakan yang biasa dipasang di bumper robot. Gambar 2.2 adalah contoh rangkaian limit switch yang dikuatkan dengan sebuah gate buffer 74HCT245. Limit switch dapat diganti dengan berbagai komponen sensor sesuai dengan fenomena yang akan dideteksi. Misalnya LDR (light dependent resistor), LED infra-merah, resistor NTC (Negative Temperature Coefficient) atau PTC (Positive Temperature Coefficient, dsb. Meskipun pada dasarnya komponen sensorsensor ini menghasilkan output yang linier namun dapat juga dioperasikan dioperasikan secra ON/OFF dengan merangkaikannnya kepada input komparator. Gambar 2.2 Rangkaian limit switch dengan buffer Gambar 2.3 adalah sebuah rangkaian sensor temperatur yang dioperasikan secara ON/OFF sebagai pembatas. IC LM35 yang digunakan sebagai komponen sensor bekerja seperti transistor yang resitansi kolektor emitor akan mengecil bila temperatur meninggi. Kaki basis dapat dimanfaatkan untuk offset penguatan jika diperlukan. Dengan membiarkan kaki basis terbuka maka kalibrasi output LM35 cukup mengandalkan

10 15 pengaturan resistansi pull-up variable resistor VR1. Gambar 2.3 Rangkaian sensor temperatur Contoh dalam gambar 2.4 berikut adalah rangkaian sensor berbasis transmitter-receiver (TX-RX) infra-merah. Sensor beroperasi secara biner yang outputnya dapat menyatakan ada (1) atau tidak ada (0) pantulan sinar infra-merah, yang artinya ada obyek/halangan atau tidak. Gambar 2.4 Rangkaian sensor infra merah TX-RX Dengan sedikit modifikasi, rangkaian dalam gambar 2.4 dapat diubah untuk penggunaan sensor berbasis piezolectric, yaitu sensor ultrasonik. Rangkaiannya

11 16 ditunjukkan dalam gambar 2.5 berikut ini. Gambar 2.5 Rangkaian sensor ultrasonik TX-RX Sensor Analog Fenomena analog yang biasa diukur di dalam sistem internal robot berhubungan dengan posisi, kecepatan, percepatan, kemiringan/kecondongan, dsb. Sedangkan yang diukur dari luar sistem robot banyak berhubungan dengan penetapan posisi kooordinat robot terhadap referensi ruang kerja, misalnya posisi robot terhadap lintang-bujur bumi, posisi obstacle yang berada di luar jangkauan robot, dan sebagainya. Sebagai contoh, sensor GPS yang diinstall di sistem environment yang dapat memberikan data posisi (dalam representasi analog) ke robot via komunikasi. a. Potensiometer Komponen ini adalah sensor analog yang paling sederhana namun sangat berguna untuk mendeteksi posisi putaran, misalnya kedudukan sudut poros aktuator berdasarkan nilai resistansi pada putaran porosnya. Gambar 2.6 berikut ini adalah sebuah potensiometer presisi yang dipasang pada poros sendi lengan robot tangan.

12 17 Gambar 2.6 Potensiometer sebagai sensor posisi Yang perlu diperhatikan dalam penggunaan potensiometer sebagai sensor analog adalah masalah linearitas output terhadap besaran yang diukurnya. Jika yang diukur adalah sudut maka nilai perubahan resistansi yang direpresentasikan dalam perubahan tegangan output harus berbanding lurus dengan perubahan sudut yang dideteksi. Gambar 2.7 mengilustrasikan keadaan ini. k adalah konstanta konversi tegangan output potensiometer ke besaran sudut. Sebagai misal, Vout mempunyai jangkauan (0 3)V sedang sudut yang diukur adalah (0 300), maka perputaran 1 dan 10 adalah setara dengan perubahan tegangan output sebesar, Vout 1 = (1/300)3V = 0,01V Vout 10 = (10/300)3V = 0,1 V

13 18 Gambar 2.7 θ vs V out Sinyal output sensor posisi (sudut) menggunakan potensiometer ini (atau komponen sensor posisi linier yang lain) dapat dimanipulasi menjadi informasi kecepatan dengan persamaan, (2.1) Dalam Ekspresi untuk pemrograman dapat dituliskan sebagai, (2.2) Misal, jika waktu sampling Δt = 0.01 detik, θ t = 3.6 rad, dan θ t-1 = 3.65rad, Maka kecepatan sudutnya saat itu adalah, (2.3) b. Position Sensitive Device (PSD) Sensor jenis ini adlah bentuk pengembangan dari sensor TX-RX infra merah (atau jenis optik lain) yang didesain dengan tingkat kepresisian tinggi dan menyatu dengan

14 19 rangkaian signal conditioning-nya. Sebagai contoh kita ambil komponen PSD buatan SHARP, yaitu: 1. GP2D12 : memiliki output analog. Dapat langsung dihubungkan ke ADC. Mampu mendeteksi obyek hingga jarak 80 cm. Namun sayang outputnya tidak linier sehingga perlu dikalibrasi dalam pemrograman. 2. GP2D02 : memiliki output serial. Komponen ini harus dihubungkan ke interface serial seperti RS232C untuk pengiriman data. Kontroler harus menggunakan prosedur pewaktuan secara serial untuk membaca data sensor. Gambar 2.8 Sharp GP2D12 Gambar 2.9 Sharp GP2D02 PSD termasuk dalam kategori, sensor sonar, seperti juga sistem TX-RX ultrasonic. Sensor bekerja berdasarkan sinyal pantul (echo) yang ditangkap oleh penerima. Pada sistem ultrasonik data jarak yang terukur adalah sebanding dengan lama

15 20 waktu antara sinyal dikirim dan sinyal echo diterima. Sensor sonar ini (sistem pemancar dan penerima sinyal sonar) ini sangat berguna dalam sistem mobile robot. Dalam kegiatan navigasi, robot ideal diharapkan mendeteksi obstacle/halangan di sekelilingnya secara cepat atau realtime. Untuk disain secara umum, sensor sonar biasanya dipasang disekeliling badan robot dengan maksud agar robot mampu mendeteksi setiap saat kondisi atau konfigurasi medan dalam segala arch (dari sudut pandang robot). Untuk jangkauan yang relatif jauh dapat digunakan sensor sonar jenis ultrasonik. Namun, sensor ultrasonik memiliki kelemahan mendasar, yaitu mudahnya terjadi interferensi antara sensor sensor yang berdekatan dan waktu akses yang terbatas (maksimum sekitar 20 kali scanning tiap detik). Untuk keperluan manuver kecepatan tinggi sensor ultrasonik ini kurang sesuai. Sebagai alternatif dapat diganti dengan sensor PSD. Dengan meiggunakan jenis PSD selain interferensi ini dikurangi, waktu akses juga lebih cepat meski jangkauan deteksinya tidak sejauh pada jenis ultrasonik Rangkaian Signal Conditioning menggunakan OpAmp. Sensor analog dalam aplikasi hampir selalu berhadapan dengan gangguan-gangguan klasik seperti noise, interferensi dengan sinyal elektromagnet, dan sebagainya. Selain itu sensor memiliki impedansi dan jangkauan tegangan output yang tidak selalu kompatibel dengan perangkat data acquisition yang digunakan. Sebagai contoh, sensor temperatur Tinier menggunakan NTC, PTC ataupun IC LM35 perlu dirangkai dengan rangkaian penguat agar outputnya mempunyai jangkauan, ±5V atau t12v. Output accelerometer ADXL105 juga perlu dikuatkan agar output maksimalnya (sesuai dengan kondisi operasi/tugas robot) setara tegangan maksimal input ADC (atau lebih kecil

16 21 sedikit). Untuk itu diperlukan perlakuan penyelarasan sinyal antara sensor dengan sistem kontroler yang biasa disebut sebagai signal conditioning (pengkondisian sinyal). Pada dasarnya rangkaian signal conditioning dapat dibangun dari komponen IC operational amplifier (OpAmp) umum seperti LM741, LM324, dsb. Rangkaian dapat berupa amplifier (penguat), attennuator (pelemah), filter, pembatas (limiter), damper (pemotong puncak sinyal), dan lain-lain. Berikut ini diberikan dasar-dasar rangkaian OpAmp yang biasa dipakai sebagai rangkaian signal conditioning, yaitu inverting dan non-inverting amplifier, low-pass filter dan high-pass filter. a. Inverting Amplifier Rangkaian inverting amplifier mempunyai bentuk standar sebagai berikut. Gambar 2.10 Inverting Amplifier b. Non-inverting Amplifier

17 22 Jika diperlukan penguatan tanpa perlu membalik fasa sinyal dapat digunakan rangkaian non-inverting amplifier yang dibentuk dari susunan dua rangkaian inverting amplifier secara serf seperti gambar berikut. Gambar 2.11 Non Inverting Amplifier c. Low-pass Filter Rangkaian low-pass filter berguna untuk menyaring sinyal berfrekuensi rendah yang diinginkan dengan menahan sinyal berfrekuensi tinggi yang tidak dikehendaki. Untuk pembacaan sensor posisi menggunakan potensiometer, rangkaian low-pass filter ini diperlukan agar noise yang menyertai, misalnya dari hash gesekan mekanis antara permukaan sentuh resistor dengan konektor porosnya, dapat ditekan sekecil mungkin. Perlu digaris bawahi di sini bahwa penentuan batas frekuensi yang akan diredam tidak boleh mengganggu sinyal asli yang dideteksi. Misalnya pada gerakan dengan kecepatan dan percepatan yang relatif tinggi, informasi perubahan posisi dapat memiliki respon perubahan yang tinggi pula sehingga vibrasi gerakan yang mungkin terjadi dapat menyebabkan hash bacaan sinyal "mirip" seperti noise.

18 23 Sebuah contoh rangkaian low-pass filter 1-pole menggunakan OpAmp LM324 diberikan dalam Gambar 2.12 berikut ini, Gambar 2.12 Low Pass Filter 1-Pole Contoh berikut adalah rangkaian low-pass filter 2-pole yang mempunyai frekuensi cut-off 30 Hz, menggunakan metode Bessel. Gambar 2.13 Rangkaian Low pass filter 2-pole Bessel d. High Pass Filter

19 24 Kebalikan dengan low-pass filter, high-pass filter bekerja menyaring frekuensi tinggi yang diinginkan dengan menahan frekuensi rendah yang tidak dikehendaki. Contoh rangkaian berikut adalah sebuah high-pass filter menggunakan OpAmp LM324. Gambar 2.14 Rangkaian high-pass filter 1-pole Untuk high-pass filter 2-pole dapat menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 2.15 berikut ini Gambar 2.15 Rangkaian high-pass filter 2-pole Bessel 2.3 Transducer Photokonduktif

20 25 Transducer photokonduktif mengubah perubahan intensitas cahaya menjadi perubahan konduktivitas. Transducer photokonduktif bekerja berdasarkan prinsip bahwa resistansi listrik berubah bila cahaya jatuh pada piranti tersebut. Sebuah transducer photokonduktif tidak menghasilkan emf atau beda potensial seperti pada photocell, tetapi resistansi listrik pada photokonduktif akan berkurang bila cahaya jatuh padanya. Transducer dihubungkan dengan sebuah sumber arus dari luar, dan arus berubah baik bertambah atau berkurang yang disebabkan oleh berubahnya resistansi listrik karena perubahan intensitas cahaya yang jatuh padanya. Istilah photocell Sering digunakan baik pada photovoltair maupun pada photokonduktif. Photocell mempunyai respon yang baik terhadap cahaya infra merah dan ultra violet. Sel photokonduktif sensitif terhadap cahaya sehingga banyak dipakai pada rangkaian pengendali lampu-lampu taman atau lampu penerangan jalan. Transducer photokonduktif baik tipe bulk atau tipe pertemuan, kebanyakan dibuat dari bahan cadmium selenoide atau cadmium sulfide. Tipe "bulk" lebih banyak dipakai karena mempunyai ukuran yang kecil, murah dan sensitivitasnya tinggi. Dua tipe transducer photokonduktif yang banyak dipakai adalah photodioda dan phototransistor. Photodioda sejenis dengan dioda pada umumnya. Perbedaan pokok pada photodioda ini adalah dipasangnya sebuah lensa pemfokus sinar. Lensa ini berfungsi untuk memfokuskan sinar jatuh pada pertemuan pn. Konduktivitas dioda ditentukan langsung oleh cahaya yang jatuh padanya.

21 26 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. Rangkaian dasar photodioda ditunjukkan dengan gambar 2.16 Photodioda dihubungkan seri dengan sebuah R dan dicatu dengan cumber tegangan DC. Arus balik akan bertambah besar bila sebuah cahaya jatuh pada pertemuan pn photodioda dan arus balik(iλ) akan menjadi sangat kecil bila pada pertemuan pn photodioda tidak terdapat cahaya yang jatuh padanya. Arus yang mengalir pada kondisi gelap disebut "dark current" sedangkan resistansinya ditentukan dengan hukum Ohm sebagai berikut: R R VR I Gambar 2.17 menunjukkan kurva karakteristik photodioda. Arus reverse ditentukan oleh tegangan balik. Arus balik ditunjukkan dengan sumbu Y dalam satuan ma. Adapun kuat cahaya ditunjukkan pada sumbu X dengan satuan foot candles.

22 27 Gambar 2.16 Rangkaian dasar reverse Photodioda. Gambar 2.17 Grafik hubungan kuat arus terhadap terang cahaya photodioda.