Pertemuan ke-5 Sensor : Bagian 1 Afif Rakhman, S.Si., M.T. Drs. Suparwoto, M.Si. Geofisika - UGM
Agenda Pengantar sensor Pengubah analog ke digital Pengkondisi sinyal Pengantar sensor medan EM
Transduser Sebuah alat yang mengubah sebuah sinyal dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya Contoh energi : listrik, mekanik, elektromagnetik, kimia, akustik, dan panas Sensor / Detektor Sebuah konverter yang mengukur sebuah besaran fisika dan mengubahnya menjadi sebuah sinyal yang dapat dibaca oleh pengamat atau instrumen (saat ini kebanyakan instrumen elektronik) sensor transduser
Contoh sensor : air raksa dalam termometer 100 0 Air raksa mengkonversi suhu menjadi panjang. Sifat fisis suatu benda: memuai bila suhunya naik dan menyusut bila suhunya turun Kalibrasi dilakukan dengan; pertama: memasukkan termometer kedalam es yang sedang mencair, kemudian panjang kolom diberi angka 0, kedua: memasukkan termometer pada air yang sedang mendidih, kemudian panjang kolom diberi angka 100. Karena hubungan suhu dan panjang dianggap linier, maka skala antara 0 dan 100 dibuat linier, sehingga bila kolom air raksa menunjuk ditengah, maka suhu = 50 o C.
Contoh sensor : sensor getaran gempa Kumparan (tetap) Pegas Magnet Meter Sensor getaran gempa menggunakan sistem pegas, masa (magnet), dan kumparan. Apabila massa bergerak naik-turun, akan timbul ggl pada kumparan Ggl yang timbul dari kumparan berupa tegangan bolak-balik (AC) yang nilainya bervariasi positif dan negatif terhadap bagian tengah kumparan.
Contoh sensor : sensor level ketinggian air Sensor mengkonversi level air menjadi arus listrik. Level air mengubah nilai resistansi (R) pada potensiometer. Nilai resistansi yang berubah mengakibatkan perubahan nilai arus (I) yang mengalir.
Hubungan antara parameter masukan (P) dan kuantitas keluaran (Q) Resolusi : kemampuan menghasilkan perubahan Q ketika ada perubahan kecil P P << resolusi tinggi Sensitivitas : perbandingan antara perubahan Q dengan perubahan P
Tingkat akurasi Seberapa kecil kesalahan (error = E) yang terjadi? Semakin kecil E yang dihasilkan tingkat akurasi semakin tinggi Q bila terdapat E = Qe di mana
Tingkat presisi Seberapa tetap kesalahan (error = E) yang terjadi? Jika E cenderung tetap tingkat presisi semakin tinggi E boleh besar, juga boleh kecil tetapi cenderung tetap Kesalahan statis (static error) Fungsi g(q) dapat berupa fungsi konstan, linear, atau fungsi lain yang lebih kompleks, semisal logaritmik E mungkin juga mempunyai komponen histerisis : E yang terjadi berhubungan dengan P sebelumnya.
Kesalahan dinamis (dynamic error) bergantung waktu bergantung parameter lingkungan lainnya Contoh : derau (noise) dan penyimpangan (drift) Contoh derau : induksi jalur listrik PLN (50 Hz)
Penyimpangan (drift) Perubahan yang terjadi secara lambat pada sensor seiring dengan berjalannya waktu (umur sensor). Biasanya terjadi secara halus (smoothly) atau tidak tiba-tiba Jika nilai perubahan secara halus per satuan waktu diketahui, maka nilainya dapat digunakan untuk koreksi penyimpangan (drift corection)
Perbedaan akurasi dan presisi Contoh lingkungan : suhu dalam lemari es bernilai konstan 38 o F Sensor akurasi dan presisi 39.4, 38.1, 39.3, 37.5, 38.3, 39.1, 37.1, 37.8, 38.8, 39.0 Sensor akurasi dan presisi 37.8, 38.3, 38.1, 38.0, 37.6, 38.2, 38.0, 38.0, 37.4, 38.3 (http://www.theweatherprediction.com)
Perbedaan akurasi dan presisi Contoh lingkungan : suhu dalam lemari es bernilai konstan 38 o F Sensor akurasi dan presisi 39.2, 39.3, 39.1, 39.0, 39.1, 39.3, 39.2, 39.1, 39.2, 39.2 Sensor akurasi dan presisi 38.0, 38.0, 37.8, 38.1, 38.0, 37.9, 38.0, 38.2, 38.0, 37.9 (http://www.theweatherprediction.com)
Rerata Q untuk N-kali pengukuran Deviasi tiap melakukan 1 kali pengukuran
Rerata deviasi Varians (variance) Seberapa jauh data tersebar di sekitar rerata
Standar deviasi Akar dari varians atau sering disebut dengan simpangan baku
Pengubah analog ke digital Pengubah analog ke digital atau analog to digital converter (ADC) Sebuah alat yang berfungsi mengubah sinyal tegangan analog menjadi nilai digital (biner) secara terusmenerus selama selang waktu tertentu Parameter utama ADC 1. Resolusi (jumlah bit kode digital/biner yang mewakili nilai tegangan analog) 2. Kecepatan konversi (cuplik/detik)
Pengubah analog ke digital ADC 8 bit Masukan (mv) Keluaran (biner) 0 0000 0000 20 0000 0001 40 0000 0010 - ------------- 5000 1111 1111 Biner 0000 0000 s.d. 1111 1111 = Decimal 0 s.d. 255 Tegangan yang diwakili = 0 s.d. 5 V = 0 s.d. 5000 mv Resolusi ADC = 5000 : 256 = 19,53 20 mv
Pengubah analog ke digital Kecepatan konversi ADC frekuensi cuplik sinyal Ragam cuplik dengan kecepatan ADC yang berbeda Keterangan : : sinyal analog + + + + : sinyal digital
Pengkondisi sinyal Pengertian Pengkondisi sinyal (signal conditioner) adalah alat yang berfungsi memanipulasi sinyal analog keluaran sensor sebelum pemrosesan sinyal tahap berikutnya. Jenis : - Penguat (amplifier) - Penambah atau pengurang dengan sebuah nilai - Tapis (filter) - Penyearah (rectifier) - Penggeser fase
Pengkondisi sinyal Penguatan dan penggeseran fase (http://www.antonine-education.co.uk)
Pengkondisi sinyal Penambah nilai sinyal masukan atau pengubah offset (garis tengah nilai/garis keseimbangan) Keluaran sensor Keluaran pengkondisi sinyal Masukan ADC
medan EM Wilayah spektrum elektromagnetik (http://csep10.phys.utk.edu)
medan EM Band frekuensi radio (http://en.wikipedia.org)
medan EM Aplikasi sensor medan EM Studi pada berbagai frekuensi gelombang elektromagnetik untuk : Suvei geofisika Deteksi radiasi (cosmic, X-ray, optical, radio astronomy) Pengukuran jarak dengan gelombang elektromagnetik Sistem navigasi elektromagnetik
medan EM Perambatan gelombang elektromagnetik (http://micro.magnet.fsu.edu) Dapat berupa sinus, gelombang termodulasi (AM, FM, PCM), dan gelombang kompleks
Pertanyaan?