APLIKASI MATERIAL PIEZOELEKTRIK PVDF FILM

Transkripsi

1 APLIKASI MATERIAL PIEZOELEKTRIK PVDF FILM Mochammad Nasir,, Muhammad Rivai, Taufik Arif Setyanto Pasca Sarjana, Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya UPT Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika BPPT Jl. Hidrodinamika Kompleks ITS Sukolilo Surabaya nasir8.lhi@gmail.com Abstrak Sejak ditemukannya efek piezoelektrik pada material Polyvinylidene Fluoride (PVDF) film, aplikasi material ini sebagai sensor maupun aktuator terus berkembang. Paper ini merupakan aplikasi material piezoelektrik jenis film PVDF sebagai sensor impact, yaitu sensor yang berfungsi untuk mengukur beban impact benturan benda yang mengenai sensor tersebut. Salah satu aplikasi sensor ini digunakan untuk mengetahui respon benturan pada proses mating pada pengujian bangunan lepas pantai. Dalam disain sensor tersebut lembaran material Piezoelektrik PVDF film sebagai sensing elemen dibentuk melingkar sesuai dengan dimensi permukaan struktur yang diukur. PVDF film tersebut dilapisi dengan material karet dan metal. Ketika sensor ini dikenai beban impact, maka element PVDF film mengeluarkan tegangan listrik yang proporsional dengan beban impact yang mengenainya, tegangan output ini diperkuat oleh rangkaian pengondisi sinyal yang selanjutnya direkam oleh sistem data akuisisi menggunakan program LabView. Untuk mengetahui karakteristik sensor dilakukan proses kalibrasi sensor tersebut baik secara statis maupun dinamis dengan menggunakan loadcell transducer sebagai referensi. Sensor PVDF film ini dapat juga diaplikasikan pada dunia kedokteran untuk mendeteksi tekanan nadi manusia. Kata kunci : Piezoelektrik, PVDF Film, Sensor Impact, Beban Impact.. PENDAHULUAN Salah satu tahapan pengujian proses launching bangunan lepas pantai adalah pengukuran beban impact antara struktur yang saling berhubungan. Untuk maksud tersebut dibutuhkan sensor mekanis yang diharapkan bisa mengukur beban impact. Sensor mekanis berbasis strain gauge saat ini merupakan sensor mekanis yang paling popular untuk pengukuran beban impact yang relatif besar. Akan tetapi pada beberapa kasus, seperti halnya pengujian bangunan lepas pantai ini, sensor mekanis dengan menggunakan strain gauge mengalami beberapa kendala baik dari segi dimensi, berat dan fleksibilitasnya. Untuk tujuan pengujian tersebut maka dirancang sensor lain berbasis material piezoelectrik. Salah satu material piezoelectrik yang dipakai untuk sensor ini adalah polyvinylidene fluoride (PVDF) film. Berdasarkan sifat sifat material tersebut maka sensor mekanis berbasis material Piezoelectrik PVDF film ini sangat baik digunakan untuk pengukuran beban-beban dinamis (Taufiq AS, et al, 5) sehingga desain sensor jenis ini sangat baik untuk pengukuran beban impact pada proses pengujian bangunan kelautan. Untuk menentukan karakteristik dari sensor piezoelectrik PVDF film tersebut, maka perlu dilakukan proses kalibrasi sensor. Karena sensor piezoelectrik PVDF film ini bersifat kapasitif dengan impedansi output yang tinggi maka diperlukan sebuah rangkaian Charge amplifier sebagai rangkaian pengkondisi sinyal. Pada proses kalibrasi sensor tersebut menggunakan NI_USB DAQ 8 dan program LABVIEW 9 sebagai sistem data akuisisinya. Sedangkan beban yang diukur dibandingkan juga dengan sensor mekanis lainnya yaitu loadcell transducer sebagai alat ukur referensi.. KAJIAN PUSTAKA Sejak ditemukannya efek-efek piezoelektrik pada bahan PVDF Film oleh Kawai (Kawai H., 99), material ini telah banyak digunakan dalam bermacam-macam aplikasi, khususnya sebagai sensor dan aktuator (Boleslaw et al, ). Suatu bahan piezoelektrik dapat mengubah deformasi mekanik menjadi medan listrik yang setara dan sebaliknya dapat mengubah medan listrik yang dikenakan padanya menjadi deformasi mekanik yang setara (Gautschi, G., ). PVDF film mempunyai beberapa sifat yang menguntungkan, di antaranya adalah: fleksibel, ringan, mampu bekerja pada pita frekuensi yang sangat lebar, dan juga tersedia dalam berbagai bentuk ketebalan dan luasan. Di samping itu, film PVDF dapat ditempelkan secara langsung pada material lain (misalnya karet, baja) dengan menggunakan bahan perekat, tanpa mengakibatkan kerusakan pada material maupun PVDF filmnya. Apabila PVDF film terdeformasi secara mekanik, maka partikel penyusunnya menjadi terpolarisasi sehingga menimbulkan konsentrasi

2 muatan listrik pada masing - masing permukaannya. Besarnya konsentrasi muatan listrik yang terbentuk ini dapat dinyatakan dalam dua mode persamaan, yaitu charge mode dan voltage mode (Ehag, 999). proses solder. Gambar desain mekanis sistem sensor ditunjukkan pada Gambar di bawah ini. Untuk charge mode berlaku: Q = d σ i A (i =,, atau ) Dimana Q : muatan listrik yang dihasilkan σ i : tekanan mekanik pada arah yang relevan d : konstata piezoelektric (PVDF Film) A : area aktif dari PVDF film Sedangkan untuk voltage mode berlaku: Vo = g σ i t Dimana : Vo : tegangan open loop σ i : tekanan mekanik pada arah yang relevan g : konstata piezoelektric (film PVDF) t : tebal film PVDF Gambar dibawah ini menunjukkan sumbu-sumbu elemen piezoelektrik dan cara melekatkan elemen film PVDF pada sebuah struktur. Gambar : Desain Sensor Impact PVDF Film.. Rangkaian Pengondisi Sinyal Output dari sensor PVDF film adalah muatan listrik yang nilainya dalam orde pico coulomb. Nilai output terlalu kecil untuk umumnya piranti ukur seperti voltmeter atau osciloskop, Sehingga diperlukan suatu pengondisi sinyal yang berfungsi sebagai penguat tegangan pengukuran. Pada penelitian ini menggunakan charge mode amplifier dengan salah satu pertimbangan bahwa pada mode ini panjangnya kabel konduktor tidak akan berpengaruh pada sinyal output. Desain lengkap rangkaian pengkondisi sinyal diberikan pada gambar. Rangkaian terdiri atas dua unit yaitu differential charge amplifier dan differential Amplifier (Zheng Chen et al, 7). Differential charge amplifier sebagai pengubah besaran muatan listrik menjadi tegangan listrik setara, sedangkan differential amplifier sebagai rangkaian penguat tegangan listrik. Gambar : PVDF dan klasifikasi sumbu yang bersesuaian. DESAIN SISTEM.. Desain Mekanis Sistem Sensor Desain mekanis sistem sensor ini untuk mengukur beban benturan antara bagian struktur atas dengan struktur bawahnya bangunan lepas pantai dengan berbagai kondisi pengujian. Sensing element dari sensor ini terbuat dari material piezoelectric yaitu PVDF (polivinilydene fluoride) film dengan komposisi material lainnya yaitu sejenis karet dan metal. PVDF film sebagai sensing element dibentuk melingkar dengan diameter 5 mm sesuai dengan dimensi permukaan struktur yang diukur. Untuk mengirimkan signal listrik dari gaya yang terukur dari permukaan film ke alat ukurnya, maka dibuat terminal yang berasal dari metal tape dengan lem conductor yang disambung dengan kabel dengan Gambar : Rangkaian Pengondisi Sinyal Transfer Function dari Rangkaian Pengondisi Sinyal diatas adalah : Vo( s) Rs R = Q( s) + R C s R

3 .. DATA AKUISISI Untuk pengukuran dan penyimpanan data hasil uji coba sensor, digunakan DAQ Card NI_USB 8 sebagai ADC bit dan Software LabView Versi 9. Diagram Blok system pengukuran sensor PVDF tersebut dapat dilihat pada gambar. Gambar : Blok Diagram Sistem Pengukuran. KALIBRASI SENSOR Kalibrasi dari impact sensor ini dibutuhkan untuk mengetahui sensitifitas, linearitas, Hysterisis dan Repeatabilitas sensor terhadap beban yang diberikan, untuk mengetahui karakteristik sensor tersebut maka dilakukan kalibrasi sensor. Kalibrasi sensor impact PVDF Film ini dilakukan dengan dua cara, yaitu secara statis dan secara dinamis. Pada metode statis sensor impact diberikan beban statis dari beban nol sampai 5 Kg. Dari setiap pembebanan outputnya diukur dan direkam dengan komputer dan diambil nilai output maksimum pada setiap pembebanan. Hasil grafik antara input Vs. Output dapat dilihat pada gambar 5. OUTPUT [Volt] 5 Grafik INPUT Vs. OUTPUT SENSOR IMPACT y =.98x R = INPUT [Kg] Gambar 5 : Grafik Hasil Kalibrasi Impact Sensor Metode kalibrasi kedua adalah dengan memberikan beban impact secara dinamis terhadap sensor dengan variasi beban yang beragam. Gambar menunjukkan pengaturan kalibrasi impact sensor. Untuk mengetahui besar beban impact yang diberikan terhadap sensor, diperlukan alat ukur beban lainnya sebagai referensi beban yaitu load cell. Impact sensor diletakkkan di atas load cell dan dilekatkan secara kuat. Untuk membuat permukaan bawah dan atas sensor menjadi benar benar datar, maka kedua permukaan atas dan bawah dipasang plat datar. Gambar : Set-Up Kalibrasi Sensor Sebelum dilakukan kalibrasi sensor Impact PVDF film maka load cell transducer sebagai sensor referensi terlebih dahulu harus dikalibrasi secara status dengan memberikan beban status pada sensor tersebut dan data output sensor diukur dan direkam dengan sistem data akuisisi selama 5 detik dengan frekuensi sampling 5 Hz. Hasil pengukuran yang diperoleh diolah dengan menggunakan analisa regresi sehingga didapatkan grafik Input Vs. Output seperti pada gambar 7. Output Load Cell [Volt] Grafik Input Vs Output Load Cell y =.58x R = Beban Input [Kg] Gambar 7 : Grafik Hasil Kalibrasi Load Cell Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa load cell tersebut mempunyai linearitas yang cukup baik dengan sensitivitas sensor 58 mv/kg. Hasil kalibrasi dinamis ini dapat dilihat Pada gambar 8, dimana semakin besar beban impact yang diberikan dengan cara memberikan pukulan di atas sensor yang dilekatkan pada load cell, maka semakin besar pula keluaran signal baik signal load cell maupun signal dari sensor. Sedangkan output dari loadcell dapat dilihat pada gambar 9. Gambar 8 : Output sensor Impact dg beban semakin besar

4 5. PEMBAHASAN Gambar 9 : Output sensor Impact dg beban semakin besar Gambar menunjukkan salah satu keluaran dari satu pukulan yang diambil dari rangkaian keluaran signal. Dari gambar tersebut secara jelas ditunjukkan bahwa ada kesamaan dan kesebandingan antara keluaran dari impact sensor dengan load cell. Untuk mengetahui karakteristik dan performa dari sensor PVDF film yang telah dibuat, disamping dilakukan kalibrasi secara statis dan dinamis untuk mengetahui hubungan gaya luar dengan keluaran sensor, dilakukan jenis uji performa. Uji yang pertama untuk mengetahui kinerja dari sistem sensor yang telah dibuat dengan respon pembebanan yang berulang. Pengujian dilakukan dengan memberikan beban yang yang sama, yaitu 5 gram, beban tersebut dijatuhkan tegak lurus ke permukaan sensor secara bebas dengan ketinggian 5 Cm sebanyak kali. Output dari diukur dan direkam dengan menggunakan system data akuisisi dengan program LabView 9. Hasil rekaman dari output sensor diperlihatkan pada gambar. Impact Gambar : Hasil Pengujian Sensor dg pembebanan berulang Gambar : Perbandingan Output Loadcell & Impact Sensor Karakteristik lainnya adalah linearitas antara besar beban impact yang diberikan dengan keluaran sensor. Gambar menunjukkan hubungan antara besarnya keluaran sensor impact dengan besar beban impact yang diberikan. Dari gambar tersebut terlihat bahwa keluaran sensor impact linear sampai beban luar yang diberikan sekitar Kg. Pada grafik diatas dapat diketahui bahwa dengan pembebanan secara berulang sensor impact mempunyai respon amplitudo yang hampir sama. Ini berarti sensor impact tersebut mempunyai repeatibilitas yang cukup baik. Pengujian kedua dilakukan dengan memberikan beban yang sama, yaitu gram yang dijatuhkan tegak lurus pada dua ketinggian yang berbeda, yaitu 5 Cm dan 5 Cm. Hasil dari pengujian ini dapat dilihat pada gambar. Im p act Sensor O utp ut [ V ] Time [s] h=5 Cm h=5 Cm Gambar : Hasil Pengujian Sensor dg Variasi ketinggian Gambar : Korelasi Output LoadCell & Impact Sensor Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa semakin tinggi benda dijatuhkan maka gaya yang terjadi juga semakin besar, hal ini dapat dilihat pada amplitudo output sensor.

5 . APLIKASI SENSOR PVDF FILM Gambar dibawah menunjukkan bagian kecil dari struktur bagian atas dan struktur bagian bawah bangunan lepas pantai yang sedang diuji di Laboratorium Hidrodinamika UPT- BPPH BPPT Surabaya. Salah satu tujuan pengujian tersebut adalah untuk mengetahui respon impact bagian atas dan bawah pada saat launching. Untuk maksud tersebut maka impact sensor di pasang pada salah satu bagian (bagian atas) kaki struktur tersebut, sehingga diharapkan segala beban yang terjadi yang diakibatkan oleh hubungan antara bagian atas dan bawah baik berupa impact dengan berbagai variasi frekuensi beban impact dan juga beban tekan dinamis yang mendekati statis juga bisa di rekam dengan baik. Aplikasi dilapangan pada saat pengujian dapat dilihat pada gambar 5. pengukuran beban-beban dinamis sehingga sangat cocok digunakan untuk sensor impact yang dikususkan untuk mengetahui beban beban impact suatu bagian bangunan lepas pantai pada saat pengujian di Laboratorium Hidrodinamika UPT- BPPH BPPT Surabaya. Dari hasil eksperimen diketahui bahwa desain sensor impact layak digunakan untuk pengujian tersebut. Hal lain yang bisa menjamin bisa digunakannya sensor tersebut untuk pengujian bangunan lepas pantai adalah :. Beban impact rencana yaitu sekitar 5 Kg bisa dipenuhi oleh desain sensor ini.. Adanya kesamaan dan kesebandingan antara keluaran impact sensor dengan load cell sebagai referensi alat ukur.. Demensi sensor dengan diameter 5 mm adalah sesuai dengan kebutuhan pengujian. Aplikasi lain dari sensor impact PVDF Film dengan modifikasi desain mekanis sensor bisa digunakan untuk pengukuran tekanan yang sangat kecil, bahkan bisa digunakan untuk mendeteksi denyut nadi manusia. Gambar : Pemasangan Sensor pada struktur UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan yang ada di Lab B jurusan teknik elektro ITS yang telah banyak membantu dalam penyusunan paper ini. Dan tak lupa penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan yang ada di UPT BPPH yang telah banyak membantu dalam pembuatan dan uji coba sensor. Sensor Gambar 5 : Aplikasi Sensor pada pengujian Mating Pada penelitian selanjutnya penulis akan mengaplikasi sensor impact ini untuk mengukur distribusi tekanan pada lambung model kapal bersayap WISE 8, dimana dengan disain yang lebih sensitif sensor ini bisa untuk mengukur beban dalam satuan gram sesuai dengan kebutuhan pengujian tersebut. 7. KESIMPULAN Sensor Dari hasil Kalibrasi dan eksperimen sistem sensor, maka dapat dikatakan bahwa material piezoelectrik PVDF film sangat baik untuk DAFTAR PUSTAKA Taufiq Arif Setyanto, et al. (5), Piezoelectric pad sensor for dynamic load measurement, Bulletin of the graduate school of engineering, Hiroshima University, Vol. 5, No. Kawai, H. (99), The piezoelectricity of Poly (vinylidene Fluoride), J. Appl. Phys. 8 Japan, pp Boleslaw, M., Tomasz J., Jacek C., (), Assesment of vehicle weight measurement method using PVDF transducers, Journal of Electrostatics, 5(5): 7-8. Gautschi, G., (), Piezoelectric sensoric, Springer, Germany. Ehag (999), Piezofilm sensor technical manual, Measurement Specialist Inc., USA. Zheng Chen, Yantao Shen, Ning Xi, Xiaobo Tan, (7), Integrated Sensing for ionic polymermetal composite actuators using PVDF thin films, Smart Material and Structures..