Download - makalaH sensoR kapasitiF
BAB I
PENDAHULUAN
Sensor digunakan dalam kehidupan sehari-hari seperti sensitifitas sentuhan
tombol lift ( sensor taktil ) dan lampu yang redup atau mencerahkan dengan
menyentuh dasar. Banyak aplikasi sensor yang lain yang tidak pernah disadari
oleh manusia. Seperti aplikasi sensor yang terdapat pada mobil, mesin, obat-
obatan, pabrik dan robot. Sensor merupakan perangkat yang dapat menerima dan
menanggapi sinyal. Sensitivitas sensor dapat mengindikasikan banyaknya
perubahan output sensor yang diukur.
Sensor kapasitif dapat mengindera langsung berbagai hal, seperti: gerakan,
komposisi kimia dan medan listrik. Sensor kapasitif juga dapat mengindera
berbagai variabel yang dikonversi terlebih dahulu menjadi konstanta gerak
ataupun dielektrik, seperti: tekanan, percepatan, tinggi dan komposisi fluida.
Sensor kapasitif merupakan perangkat noncontact yang mampu untuk
mengukur posisi dengan resolusi yang tinggi atau perubahan posisi dari setiap
target konduktif. Sensor kapasitif menggunakan kapasitansi listrik dalam
pengukurannya. Kapasitansi merupakan benda yang terdapat diantara dua
permukaan konduktif dengan jarak tertentu. Perubahan jarak kedua permukaan
konduktif dapat mengubah kapasitansi. Perubahan kapasitansi ini digunakan
untuk menunjukan perubahan posisi target.
Sensor kapasitif menjangkau hampir di seluruh kehidupan masyarakat,
diantaranya adalah: detektor gerakan yang dapat mendeteksi perpindahan hingga
10-14 m. Detektor ini stabil, memiliki respon cepat dan tahan terhadap berbagai
kondisi lingkungan ekstrim. Sensor kapasitif dengan elektroda besar dapat
mendeteksi dan mengukur kecepatan sebuah automobile (kendaraan). Teknologi
kapasitif menggantikan peran piezoresistance pada implementasi silikon dari
akselerometer dan sensor tekanan. Aplikasi inovatif seperti detektor sidik jari dan
inframerah muncul pada silikon dengan dimensi sensor ber-orde mikro serta
kapasitansi elektroda 10 fF dengan resolusi hingga 5 aF (10-18 F). Sensor
kapasitif di kilang minyak dapat mengukur persentase air dalam minyak.
Kelembaban gandum di lumbung juga dapat diukur menggunakan sensor
kapasitif. Saklar sentuh untuk meredupkan lampu di rumah menjadi lebih efektif
dan ekonomis jika menggunakan sensor kapasitif. Sensor kapasitif membantu
teknisi rumah dalam menyelesaikan pekerjaannya, seperti: wall stud sensor dan
digital construction level.
BAB II
ISI
2.1 Sensor Kapasitif dan Kapasitansi
Sensor kapasitif merupakan perangkat noncontact yang mampu untuk
mengukur posisi dengan resolusi yang tinggi atau perubahan posisi dari setiap
target konduktif. Sensor kapasitif menggunakan kapasitansi listrik dalam
pengukurannya. Sensor kapasitansi mendeteksi perubahan kapasitansi ketika
sesuatu atau seseorang mendekati atau menyentuh sensor.
Kapasitansi merupakan ruang yang terdapat di antara dua konduktor yang
mempengaruhi medan listrik keduanya. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari dua
buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan
dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-
lain. Jika dua plat logam yang ditempatkan dengan jarak tertentu dan salah satu
plat diberikan tegangan, maka akan mengakibatkan terdapat medan lisrik di antara
kedua plat. Medan listrik yang dihasilkan merupakan perubahan muatan listrik
yang tersimpan pada permukaan plat. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan
listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu kaki
(elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif terkumpul
pada ujung metal yang lainnya. Muatan positif tidak dapat mengalir menuju ujung
kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke ujung kutub
positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik
ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kakinya.
Kapasitansi yang besar memiliki kapasitas untuk muatan listrik yang lebih besar
dibandingkan dengan kapasitansi yang kecil. Banyaknya muatan listrik yang ada
menentukan banyaknya tegangan yang digunakan pada plat. Kapasitansi suatu
kapasitor didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat
menampung muatan elektron.
Kapasitansi antara dua pelat ditentukan oleh tiga hal:
Ukuran pelat: kapasitansi akan meningkat seiring dengan meningkatkan
ukuran plat.
Ukuran Gap: kapasitansi akan mengecil dengan semakin besar gap.
Material antara plat (dielektrik): bahan dielektrik yang digunakan akan
menyebabkan kapasitansi meningkat atau menurun.
2.2 Dielektrikum
Dielektrisitas merupakan karakter tingkatan suatu bahan (dielektrikum)
apabila terpolarisasi oleh medan listrik. Dielektrikum yaitu bahan yang tidak
memiliki elektron bebas. Jika suatu dielektrikum tidak dipengaruhi medan listrik,
muatan positif dan negatif tidak akan terpisah.
Jika suatu dielektrikum dipengaruhi medan listrik, maka muatan negatif
dalam dielektrikum akan ditarik ke arah yang bertentangan dengan arah medan
listrik, sedangkan muatan positif ditarik ke arah searah dengan arah medan listrik,
sehingga muatan positif dan negatif terpisah. Pengaruh muatan positif dan negatif
dalam dielektrikum saling menetralkan, jadi yang berpengaruh hanyalah muatan
di tepi dielektrikum. Muatan induksi di tepi dielektrikum ini terjadi ketika
dipengaruhi medan listrik. Dengan adanya muatan induksi pada tepi-tepi
dielektrik, maka kuat medan listrik menjadi lebih kecil karena muatan-muatan
induksi menyebabkan medan listrik ke arah yang berlawanan dengan medan listik
muatan asli.
2.3 Sistem Pengukuran Sensor Kapasitif
Pengukuran sensor kapasitif memerlukan tiga komponen dasar, yaitu:
Probe yang menggunakan perubahan kapasitansi untuk mendeteksi
perubahan jarak suatu target.
Elektronik driver yang digunakan untuk mengkonversi perubahan
kapasitansi menjadi perubahan tegangan.
Perangkat yang digunakan untuk menunjukan atau merekam perubahan
tegangan yang dihasilkan.
Masing-masing komponen merupakan bagian penting untuk memberikan
pengukuran yang akurat. Geometri probe, penginderaan luas wilayah, dan
konstruksi mekanik mempengaruhi jangkauan, akurasi, dan stabilitas. Probe
memerlukan sebuah driver untuk menunjukan perubahan medan listrik yang
digunakan sebagai perubahan kapasitansi. Kinerja elektronik driver merupakan
faktor utama dalam menentukan resolusi sistem. Alat pengukur tegangan
merupakan alat terakhir yang digunakan dalam sistem. Osiloskop, voltmeter dan
sistem data akuisisi harus dipilih secara untuk digunakan sebagai aplikasi.
Dalam kapasitif penginderaan, ukuran sensor, ukuran target dan bahan
dielektrik (udara) selalu konstan. Sedangkan ukuran gap tidak konstan.
Berdasarkan asumsi ini, elektronik driver berasumsi bahwa semua perubahan
kapasitansi merupakan akibat dari perubahan dalam ukuran gap. Elektronik driver
yang dikalibrasi terhadap perubahan tegangan output yang spesifik digunakan
untuk perubahan kapasitansi yang sesuai. Tegangan ini adalah skala untuk
menunjukan perubahan spesifik dalam ukuran gap. Jumlah perubahan tegangan
untuk suatu perubahan gap disebut sensitifitas atau kepekaan. Sensitivitas yang
umum digunakan adalah 1.0V/100μm. Itu berarti bahwa untuk setiap perubahan
100μm pada celah, Perubahan tegangan outputnya adalah 1.0V. Dengan kalibrasi
ini, perubahan 2 V pada output menunjukan bahwa target telah bergerak 200μm
lebih dekat ke probe.
2.4 Prinsip Kerja Sensor Kapasitif
Sensitivitas sensor kapasitif ditentukan oleh rancangan fisik, metode yang
digunakan untuk mengukur kapasitansi dan kemampuan untuk secara tepat
membandingkan perubahan kapasitansi relatif terhadap tingkat ambang
menghubungi preset. Sensor kapasitif diproduksi melalui proses sederhana pada
papan sirkuit cetak (PCB) yang biasanya berkisar antara 50 femtofarads hingga 20
picofarads, sehingga sulit untuk mendeteksi perubahan kecil secara akurat.
Meskipun ada beberapa metode untuk mengukur nilai-nilai kecil, ada keuntungan
yang signifikan dalam menggunakan teknik pengukuran presisi tinggi yang
menggunakan konverter kapasitif-ke-digital 16-bit.
Sensor kapasitif dirancang pada papan sirkuit cetak (PCB) yang murah.
Sensor kapasitif dapat dikembangkan di papan sirkuit cetak (PCB) standar atau
dicetak pada sirkuit flex menggunakan bahan tembaga yang sama seperti yang
digunakan untuk routing sinyal. Dalam keduanya, sensitivitas sensor maksimum
ditentukan oleh ukuran fisik sensor dan kombinasi dari konstanta dielektrik
lapisan plastik, termasuk faktor disipasi, dan ketebalan bahan yang menutupi.
Sebagai contoh, sebuah sensor dengan diameter 3 mm dengan lapisan plastik yang
menutupi 5 mm akan kurang sensitif dari sensor diameter 6 mm dengan lapisan
plastik 2 mm.
Gambar 1. Desain sensor kapasitif
Gambar 2. Alternatif desain sensor kapasitif
Kedua gambar di atas menunjukan perilaku sensor dengan stimulus
diterapkan selama menghubungi user. Perubahan kapasitansi sensor saat
menghubungi user berbeda setiap metodenya. Tetapi kinerja sensor sama dalam
keduanya.
2.4.1 Merangsang sensor kapasitif
Pada gambar 1 terjadi eksitasi kontinu pada sumber (SRC) disamping
sensor untuk mengatur medan listrik dalam sensor kapasitif. Stimulus
menimbulkan medan listrik pada sensor yang sebagian menjorok melalui plastik
overlay. Capacitance-input side (CIN) dihubungkan ke input konverter kapasitansi
ke digital.
Sensor kapasitif pada gambar 2 menggunakan sumber arus konstan pada
terminal A dari sensor, dengan terminal B sebagai ground. Kapasitansi tambahan
jari ditambahkan saat user membuat kontak terhadap sensor. Hasilnya adalah
peningkatan waktu RC naik selama siklus pengisian.
2.4.2 Mengukur sensor kapasitif dan mendeteksi kontak sensor
Salah satu metode pengukuran tradisional kapasitansi ditunjukkan pada
Gambar 3.
Gambar 3. Metode kapasitor tradisional untuk mengukur kapasitansi
menggunakan komparator dan 555 counter / timer
Sumber arus konstan pada senor kapasitif memiliki muatan yang terus
menerus hingga tingkat ambang batas referensi pada komparator. Komparator
akan menunjukan pulsa tinggi setiap sensor kapasitif mencapai ambang batas.
Pada gambar 4, skalar ditutup dan akan melepaskan kapasitor dan meresetnya.
Gambar 4. Komparator tradisional dan ambang batas tingkat sensitivitas dengan
555 timer/counter
Dengan menentukan saat user berada dalam kontak terhadap sensor, kita
dapat menghitung jumlah siklus clock yang diperlukan untuk sensor kapasitif
untuk mengisi ke tingkat referensi (REF) pada komparator. Nilai ini kemudian
dibandingkan dengan pengaturan preset deteksi ambang. Misalnya, count 50 dapat
menunjukkan menghubungi sensor, sedangkan nilai count kurang dari 50 akan
menunjukkan tidak ada kontak. Dalam contoh ini, akurasi dan presisi
berhubungan dengan frekuensi clock referensi dan pengulangan dari sumber arus
pada sensor kapasitif dianggap sebagai kontak pengguna sensor.
Metode yang lebih baik untuk mengukur kapasitansi, ditunjukkan dalam
Gambar 5, menggunakan resolusi tinggi 16 bit analog-to-digital converter (ADC)
dan sumber eksitasi 250 kHz.
Gambar 5. AD7142 analog
Sumber eksitasi akan membentuk medan listrik dalam sensor kapasitif dan
garis fluks akan menembus materi overlay. Presisi 16 bit ADC mendeteksi setiap
kali user menghubungi sensor, dengan satu femtofarad resolusi pengukuran. Tidak
ada komponen tuning eksternal yang diperlukan, dan kalibrasi otomatis
memastikan bahwa tidak ada sentuhan palsu atau nonregistering yang terjadi
karena perubahan suhu atau kelembaban.
Karena output data dari sensor kapasitif adalah digital, tingkat deteksi
ambang individu dapat dengan mudah diprogram untuk setiap sensor dengan
menetapkan sebuah register 16-bit yang sesuai Tingkat ambang dapat diprogram
antara sekitar 25% dan 95,32% dari skala penuh (FS) pada gambar 6.
Gambar 6. Setting AD7142 tingkat batas ambang sensitifitas
Sebuah sensor kapasitif antarmuka dapat digunakan pada ujung depan
analog, yang dapat mengukur perubahan output kecil disebabkan oleh usr
menghubungi sensor kapasitif. Sekarang konverter kapasitansi ke digital sangat
terintegrasi yang memungkinkan perancang sensor kapasitif mendapatkan
keuntungan dari kemajuan teknologi sinyal baru. Kemajuan teknologi sinyal baru
dapat mengintegrasikan kinerja tinggi analog dengan daya rendah, konverter
sigma delta dengan resolusi tinggi.
2.5 Memaksimalkan Akurasi
Sekarang kita telah membahas dasar-dasar cara kerja sensor kapasitif, kita
juga dapat memaksimalkan efektivitas dan meminimalkan kesalahan. Akurasi
mensyaratkan bahwa pengukuran harus dilakukan di bawah kondisi yang sama
ketika sistem ini dikalibrasi. Jika kita hanya ingin ukuran gap untuk mengubah
pembacaan, maka semua variabel lainnya harus konstan.
Ukuran Target
Kalibrasi yang dilakukan pada pabrik biasanya dilakukan dengan target
konduktif datar yang jauh lebih besar dari area sensor. Sistem yang dikalibrasi
dengan cara ini akan memberikan hasil yang akurat ketika mengukur target plat
lebih dari 30 % lebih besar daripada daerah penginderaan. Jika area target terlalu
kecil, medan listrik akan menyelimuti target. Dalam hal ini, medan listrik melebar
dibandingkan pada kalibrasi dan mengukur target lebih jauh. Ini berarti bahwa
probe harus lebih dekat ke target untuk titik nol yang sama. Karena jarak ini
berbeda dari kalibrasi asli, maka akan terdapat kesalahan. Kesalahan juga terjadi
akibat probe tidak lagi mengukur permukaan yang datar. Target yang terlalu kecil
menunjukan bahwa sistem menjadi sensitive terhadap titik X dan Y yang
probenya relatif terhadap target. Tanpa mengubah gap, output akan berubah
secara signifikan jika probe dipindahkan kiri atau kanan karena kurang dari medan
listrik akan pusat target dan lebih banyak berkeliling ke samping.
Gambar 7. Target yang kecil dapat membuat pengukuran ketelitian yang peka
terhadap kesalahan posisi probe yang kecil
Bentuk target
Bentuk target juga dapat mempengaruhi sensor kapasitif. Jika sensor
kapasitif yang dikalibrasi digunakan untuk target datar, pengukuran target dengan
permukaan melengkung akan menyebabkan kesalahan. Karena sensor akan
mengukur jarak rata-rata target, ukuran gap pada nol volt akan berbeda
dibandingkan ketika sistem dikalibrasi.
Kesalahan juga akan terjadi akibat bentuk medan listrik yang berbeda pada
permukaan lengkung. Jika kalibrasi datar digunakan untuk permukaan lengkung,
maka dapat menggunakan multiplier. Multiplier dapat digunakan untuk
memperbaiki nilai pengukuran.
Gambar 8. Target dengan permukaan lengkung dapat mengubah bentuk medan
listrik yang dapat mempengaruhi akurasi
Permukaan akhir
Ketika permukaan target tidak sempurna, sensor kapasitif akan merata-rata
area yang dicakup oleh ukuran spot dari sensor.
Gambar 9. Permukaan yang tidak teratur dapat menyebabkan pengukuran yang
berbeda terhadap target yang bergerak sejajar dengan probe
Paralelisme
Selama kalibrasi, permukaan sensor sejajar dengan permukaan target. Jika
probe atau target dimiringkan dengan jumlah yang signifikan, bentuk spot pada
daerah target akan memanjang terdapat perubahan interaksi medan antara probe
dan target. Karena bentuk medan listrik yang berbeda, akan terdapat kesalahan
pengukuran. Paralelisme harus dipertimbangkan ketika merancang sebuah fixture
untuk pengukuran.
BAB III
KESIMPULAN
Sensor kapasitif mempunyai banyak aplikasi yang digunakan dalam
masyarakat, yaitu:
Komputer atau laptop menggunakan sensor kapasitif sebagai pengendali
cursor dua dimensi. Selain itu, sensor kapasitif transparan digunakan
sebagai monitor komputer di kios retail (pengecer).
Flow - Berbagai flow meter mengkonversi tekanan atau perpindahan
menggunakan sebuah lubang untuk volume flow atau efek gaya Coriolis
untuk mass flow. Sensor kapasitif kemudian mengukur perpindahannya.
Tekanan - Sebuah diafragma dengan defleksi stabil dapat mengukur
tekanan dengan detektor yang sensitif terhadap jarak.
Tinggi fluida - Sensor kapasitif mengindera tinggi fluida di reservoir
(tandon, kolam air) dengan mengukur perubahan kapasitansi diantara pelat
konduktif yang terbenam dalam air. Detektor tinggi fluida kapasitif juga
dapat dipasang di luar tangki non-konduktif.
Spasi - Jika objek logam dekat dengan elektroda kapasitor, kapasitansi
mutual merupakan pengukur spasi yang sangat sensitif. Sensor pemindai
(scan) multiplat. Pengukuran spasi plat tunggal dapat dikembangkan
menjadi pengukuran kontur menggunakan multiplat. Baik permukaan
konduktif maupun dielektrik dapat diukur menggunakan sensor ini.
Pengukuran ketebalan - Dua pelat yang mengapit sebuah insulator
digunakan untuk mengukur ketebalan insulator jika konstanta
dielektriknya diketahui atau mengukur konstanta dielektrik jika ketebalan
insulator diketahui.
Detektor ice - Pembekuan (icing) sayap pesawat terbang dapat dideteksi
menggunakan potongan (strip) logam terisolasi yang dipasang pada sisi
sayap utama. Posisi linier atau sudut batang (shaft). Sensor kapasitif dapat
mengukur sudut atau posisi dengan skema multi-pelat yang memberikan
akurasi tinggi dengan keluaran digital, atau dengan sebuah keluaran analog
yang menyebabkan akurasi lebih rendah tetapi memiliki respon cepat dan
rangkaian yang lebih sederhana.
Saklar lampu redup (dimmer) - Lampu dim soft-touch pelat logam standar
menggunakan frekuensi 60 Hz dan dapat mengindera kapasitansi tubuh
manusia. Keyswitch – Keyswitch kapasitif menggunakan efek shielding
dari jari terdekat atau menggunakan plunger (pompa) konduktif yang
bergerak untuk menginterupsi coupling diantara dua buah pelat kecil.
Limit switch – Limit switch dapat mendeteksi proksimitas (kedekatan)
komponen (mesin) logam yang sebanding dengan peningkatan kapasitansi.
Limit switch juga dapat medeteksi proksimitas komponen plastik
berdasarkan peningkatan konstanta dielektriknya di udara.
.
MAKALAH
SENSOR KAPASITIF
Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Sensor dan Tranduser
Disusun Oleh :
1. Ariyanti Nur Anisa ( J2D007010 )
2. ( J2D008xxx )
3. ( J2D008xxx)
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS DIPONEGORO
2009