BAB III LANDASAN TEORI 3.1 Sensor dan Sensor Photoelectric Model apapun yang digunakan dalam sistem otomasi pempabrikan sangat bergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil penelitian menunjukan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan sangat bergantung kepada sensor yang digunakan. Pada bagian selanjutnya akan dijelaskan tentang pengertian maupun jenis-jenis sensor dan sensor photoelectric. Pengertian 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. Contohnya camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor cahaya, dan lainnya. 3.1.1 Klasifkasi Sensor Secara umum berdasarkan fungsi dan penggunaannya sensor dapat dikelompokan menjadi 3 bagian yaitu : a. sensor thermal (panas) b. sensor mekanis c. sensor optik (cahaya) Sensor thermal adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi gejala perubahan panas / temperature /suhu pada suatu dimensi benda atau dimensi ruang tertentu. Contohnya bimetal, termistor, termokopel, RTD, photo transistor, photo dioda, photo multiplier, photovoltaik, infrared pyrometer, hygrometer, dan sebagainya. 8
9 Sensor mekanis adalah sensor yang mendeteksi perubahan gerak mekanis seperti perpindahan atau pergeseran atau posisi, gerak lurus dan melingkar, tekanan, aliran, level dsb. Contohnya strain gage, linear variable deferential transformer (LVDT), proximity, potensiometer, load cell, bourdon tube, dan sebagainya. Sensor optic atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya, pantulan cahaya ataupun bias cahaya yang mengernai benda atau ruangan. Contoh nya photo cell, photo transistor, photo diode, photo voltaic, photo multiplier, pyrometer optic, dan sebagainya. 3.1.2 Sensor Cahaya Penggunaan sensor cahaya dalam sistem kendali pada industri sangat efektif dan efisien. Oleh karena itu sensor cahaya banyak digunakan pada pabrik-pabrik. Pada bagian selanjutnya akan dibahas tentang energi cahaya dan juga jenis-jenis sensor cahaya. Pengertian Elemen-elemen sensitive cahaya merupakan alat terandalkan untuk mendeteksi energi cahaya. Alat ini melebihi sensitivitas mata manusia terhadap semua spectrum warna dan juga bekerja dalam daerah-daerah ultraviolet dan infra merah. Energi cahaya bila diolah dengan cara yang tepat akan dapat dimanfaatkan secara maksimal untuk teknik pengukuran, teknik pengontrolan dan teknik kompensasi. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetis (EM) yang memiliki spektrum warna yang berbeda satu sama lain. Setiap warna dalam spectrum mempunyai energi, frekuensi dan panjang gelombang yang berbeda. Hubungan spectrum optis dan energi dapat dilihat pada formula berikut. Energi photon (Ep) setiap warna dalam spektrum cahaya nilainya adalah :
10 (3.1) Dimana : Wp h c λ f = energi photon (ev) = konstanta Planck s (6,63 x 10-34 J-s) = kecepatan cahaya, Electro Magnetic (2,998 x 10 8 m/s) = panjang gelombang (m) = frekuensi (Hz) Frekuensi foton bergantung pada energi yang dilepas atau diterima saat elektron berpindah tingkat energinya. Spektrum gelombang optis diperlihatkan pada Gambar 3.1 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. Untuk lebih jelasnya, spektrum warna cahaya dapat dilihat pada Gambar 3.1. Gambar 3.1 Spektrum Gelombang EM
11 Sedangkan daya spektral cahaya dapat dilihat pada Gambar 3.2. Gambar 3.2 Kurva Output Sinyal Optis Bahan-bahan yang dapat dijadikan sumber energi selain matahari adalah antara lain : a. Incandescent Lamp yaitu lampu yang menghasilkan energi cahaya dari pijaran filament bertekanan tinggi, misalnya lampu mobil, lampu spot light, lampu flashlight. b. Energi Atom, yaitu memanfaatkan loncatan atom dari valensi energi 1 ke level energi berikutnya. c. Fluorescense yaitu sumber cahaya yang berasal dari perpendaran bahan fluorescence yang terkena cahaya tajam, seperti layar osciloskop. d. Sinar Laser adalah sumber energi mutakhir yang dimanfaatkan untuk sebagai cahaya dengan kelebihannya antara lain : monochromatic (cahaya tunggal atau membentuk garis lurus), coherent (cahaya seragam dari sumber sampai ke beban sama), dan divergence (simpangan sangat kecil yaitu 0,001 radians).
12 Dilihat dari perubahan output sensor cahaya maka sensor cahaya dapat dibedakan kedalam 2 tipe yaitu : o Sensor cahaya tipe fotovoltaik o Sensor cahaya tipe fotokonduktif Kemudian apabila dilihat dari cahaya yang diterima sensor cahaya tersebut, maka sensor cahaya dapat dibagi dalam beberapa tipe sebagai berikut : o Sensor cahaya infra merah o Sensor cahaya ultraviolet 3.1.2.1 Sensor Cahaya Tipe Fotovoltaik Sensor cahaya tipe fotovolataik adalah sensor cahaya yang dapat memberikan perubahan tegangan pada output sensor cahaya tersebut apabila sensor tersebut menerima intensitas cahaya. Salah satu contoh sensor cahaya tipe fotovoltaik adalah solar cell atau sel surya. Sensor cahaya tipe photovoltaic adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik. Sel solar silikon yang modern 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. Berikut konstruksi dari sensor cahaya tipe fotovoltaik. 3.1.2.2 Sensor Cahaya Fotokonduktif Sensor cahaya tipe fotokonduktif akan memberikan perubahan resistansi pada terminal outputnya sesuai dengan perubahan intensitas cahaya yang diterimanya. Sensor cahaya tipe fotovoltaik ini ada beberapa jenis diantaranya adalah : o LDR (Light Depending Resistor) o Photo Transistor o Photo Dioda
13 LDR (Light Depending Resistor) LDR adalah sensor cahaya yang memiliki 2 terminal output, dimana kedua terminal output tersebut memiliki resistansi yang dapat berubah sesuai dengan intensitas cahaya yang diterimanya. Dimana nilai resistansi kedua terminal output LDR akan semakin rendah apabila intensitas cahya yang diterima oleh LDR semakin tinggi. Gambar 3.3 LDR Light Depending Resistor Photo transistor Photo transistor adalah suatu transistor yang memiliki resistansi antara kaki kolektor dan emitor dapat berubah sesuai intensitas cahaya yang diterimanya. Photo transistor memiliki 2 terminal output dengan nama emitor dan colektor, dimana nilai resistansi emitor dan colektor, tersebut akan semakin rendah apabila intensitas cahaya yang diterima photo transistor semakin tinggi. Gambar 3.4 Photo transistor
14 Photo dioda Photo dioda adalah suatu dioda yang akan mengalami perubahan resistansi pada terminal anoda dan katoda apabila terkena cahaya. Nilai resistansi anoda dan katoda pada photo dioda akan semakin rendah apabila intensitas cahaya yang diterima photo dioda semakin tinggi. Gambar 3.5 Photo dioda 3.1.2.3 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 photo transistor atau photo dioda. Dimana apabila sensor cahaya infra merah ini menerima pancaran cahaya infra merah maka pada terminal output nya akan memberikan perubahan resistansi. Akan tetapi ada juga sensor cahaya yang telah dibuat dalam bentuk chip IC penerima sensor infra merah seperti yang digunakan pada penerima remote televisi. Dimana chip IC sensor infra merah ini akan memberikan perubahan tegangan output apabila IC sensor infra merah ini menerima pancaran cahaya infra merah. Berikut adalah bentuk dari IC sensor infra merah tersebut.
15 Gambar 3.6 IC sensor infra merah 3.1.2.4 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 output nya pada saat menerima perubahan intensitas pancaran cahaya ultraviolet. Sensor cahaya yang populer salah satunya UVtron. Modul sensor cahaya UVtron akan memberikan perubahan tegangan output pada saat sensor UVtron menerima perubahan intensitas cahaya ultraviolet. Berikut adalah bentuk modul sensor cahaya UVtron. Gambar 3.7 Modul sensor cahaya UVtron
16 3.1.3 Sensor Photoelectric Sensor photoelectric adalah peralatan yang mengkonversikan sinyal yang dibangkitkan oleh emisi cahaya menjadi sinyal listrik. Sinar dapat bermacammacam tergantung dengan panjang gelombangnya. Sensor photoelectric mempunyai 2 buah komponen utama yaitu pemancar dan penerima. Secara lebih detail kedua komponen tersebut adalah sebagai berikut : Pemancar a. Luminescent Diode yang juga dikenal dengan nama Light Emiting Diode (LED) b. Dioda Laser Penerima a. Photodioda b. Phototransistor Contoh aplikasi sensor photoelectric : Penghitung botol dalam industri Pencucian mobil Penghitung kardus Penghitung kaki IC Terdapat 4 jenis sensor photoelectric yang tersedia : a. Pemantulan Langsung (Direct Reflection) Transmitter dan receiver ditempatkan bersama-sama dan menggunakan cahaya yang dipantulkan langsung dari objek untuk melakukan deteksi. Pemilihan photosensor jenis ini harus mempertimbangkan warna dan tipe permukaan objek (kasar, licin, buram, terang). Dengan permukaan buram, jarak sensing akan dipengaruhi oleh warna objek. Warna-warna terang berpengaruh terhadap jarak sensing maksimum dan warna gela berpengaruh terhadap jarak sensing minimum. Jika permukaan obyek mengkilap, efek permukaan yang lebih penting dari pada warna.
17 b. Refleksi dengan reflektor (Reflection with Reflector) Transmitter dan receiver ditempatkan bersama-sama dan membutuhkan reflektor. Objek terdeteksi karenan memotong cahaya antara sensor dan reflektor sehingga receiver tidak menerima cahaya. Photocells ini memungkinkan jarak sensing lebih jauh. Dengan adanya reflector sinar yang dipancarkan akan dipantulkan sepenuhnya ke receiver. c. Pemantulan terpolarisasi dengan reflektor (Polarized Reflection with Reflector) Mirip dengan Pemantukan dengan reflektor, photocells ini menggunakan perangkat anti-refleks. Jadi reflector tidak mengkilap. Sensor ini mendasarkan fungsi pada sebuah pita cahaya terpolarisasi, memberikan keuntungan dan deteksi akurat bahkan ketika permukaan objek sangat mengkilap. Data teknik tidak ada karena sangat dipengaruhi oleh pemantulan acak (benda apa saja). d. Through Beam Transmitter dan Receiver ditempatkan secara terpisah dan deteksi obyek terjadi ketika memotong sinar antara transmitter dan receiver sehingga receiver kehilangan cahaya sesaat. Photocells ini memiliki jarak sensing terpanjang. Tipe output : Light ON / Dark ON. Light ON : Receiver menerima sinar maka output/keluaran ON, ketika sinar terpotong oleh object maka output/keluaran OFF Dark ON : Receiver menerima sinar maka output/keluaran OFF, ketika sinar terpotong oleh object maka output/keluaran ON Pada tipe Direct Reflection, output NO adalah untuk Light On dan output NC adalah untuk Dark On. Untuk tipe sensor yang lain, output NO adalah Dark On dan output NC adalah Light On.
18 Sensing Distance (Sn) : Ruang atau jarak di mana keberadaan objek dapat dirasakan. Untuk tipe Direct Reflection itu adalah jarak maksimum antara fotosel dan objek. Untuk tipe reflection itu adalah jarak antara unit dan reflektor. Power On Delay: Ini adalah selang waktu yang dibutuhkan antara tersedianya daya dan operasi pada output. Hal ini untuk menghindari switching (pensaklaran kejut) yang tidak diinginkan saat sensor diberi supply. Output: Outputnya open colector PNP dan NPN. Gambar 3.8. Photoelectric Sensor
19 Gambar 3.9 adalah gambar wiring diagram dari Photoelectric Sensor NPN, PNP dan Emitter. Gambar 3.9. Wiring Diagram 3.1.4 Fork sensors BGL Balluff Through-beam sensors yang tak tertandingi dalam akurasi kemampuan untuk membedakan bagian-bagian kecil dan mendefinisikan detil dan kehandalan operasi. Namun Through-beam sensors mengambil beberapa waktu untuk menginstal dan configure. Ini tidak berlaku untuk fork sensors, sejak emitter and receiver sudah diinstal dan mudah untuk menyesuaikan. Namun demikian, akurasi fork sensors kemampuan untuk membedakan bagian - bagian kecil dan mendefinisikan detil dan kewajiban operasi mereka kembali adalah luar biasa. Laser fork sensors mencapai hasil terbaik dalam jenis - jenis tugas. Balluff laser through-beam fork sensors yang digunakan untuk posisi yang tepat dan andal mendeteksi bergerak cepat proses dan bagian-bagian kecil. Hal ini akan membuka berbagai macam aplikasi dalam robotics dan automation.
20 Features Metal Housing Kaca Optik pada permukaan Sensor Resolusi yang tinggi Available in red light, laser light, IR or pin point 10 10 mm fork arm, even for large fork openings Aplikasi Parts sensing pada conveyor Label sensing dalam transparent backing material Memeriksa Bagian Menghitung untuk barang yang sudah di assembly Pemantauan untuk alat Pemeriksaan Posisi Memeriksa kelengkapan (misalnya pin konektor) Pemantauan Tingkat kontainer Penanganan dan perakitan