pressure sensor-piezoelectric

Instrumentasi Industri – Laporan “Sensing Element”

Teknologi snsor di Industri, terdapat beberapa jenis antara lain : Flow Meter, Pressure Sensor, Level Sensor, dan Temperature sensor. Namun dalam makalah ini hanya akan membahas mengenai Pressure Sensor dimana sensor yang digunakan dengan prinsip Piezoelektrik.

“Piezoelectric Pressure Sensor”

Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton. Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan piezo yang bermakna

didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika

medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Jacques dan Pierre Curie

mengombinasikan pengetahuan akan piroelektrisitas (kemampuan bahan‐bahan tertentu

untuk menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan‐bahan itu dipanaskan atau didinginkan) dengan pemahaman akan struktur dan perilaku sebuah kristal pada kristal turmalin, kuarsa, ratna cempaka, dan garam rossel. Dari uji coba tersebut diketahui bahwa kristal kuarsa dan garam rossel memperlihatkan kemampuan piezoelektrisitas paling besar saat itu.

Prinsip Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction. Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dsb.[1]

Karakteristik Bahan Piezoelektrik adalah Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang

lain bermuatan negative membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur Kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik). Berikut ini ilustrasi efek piezoelektrik : [1]

“Pressure Sensor” – Kelompok 4 – S1 Lintas Jalur Teknik Fisika - ITS1


Gambar 1. Prinsip efek piezoelektrik[1]

A) Sebelum diberi tekanan atau medan listrik,B) Ketika diberi medan listrik, bahanakan memanjang,C) Diberi medan listrik berlawanan, bahan akan memendek,D) Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar terjadi.

MODEL MATEMATIK PRINSIP PIEZOELEKTRIK

Piezoelektrik adalah efek gabungan dari listrik perilaku materialD=ε .E

Di mana :D : Perpindahan kerapatan muatan listrik (listrik perpindahan), ε : Permitivitas E : kuat medan listrikHukum Law :

S=s . Tdimana :S : Strains : ComplianceT : stresPersamaan diatas dapat dikombinasikan ke dalam persamaan gabungkan, yang berupa regangan - beban sebagai berikut :“Pressure Sensor” – Kelompok 4 – S1 Lintas Jalur Teknik Fisika - ITS

2


{ S }=⌊ sE ⌋ {T }+[d t ] {E }{ D }= [ d ] {T }+ [εT ] { E }[1]

Dalam prinsip tekanan, model matematik sebagai berikut :

Piezoelektrik dadri Kristal yang mendapat sebuah gaya, sehingga atom dalam Kristal terjadi pergeseran dari posisi normalnya. Perubahan posisi ini akan direpresentasikan oleh x. Dengan model matematik sebagai berikut :[2]

Dimana :K = kekakuan Kristal = 2 x 109 Nm-1

F = gaya yang diterimaX = pergeseranDalam hal ini piezoelektrik direpresntasikan pada fungsi transfer orde dua, dengan persamaan sebagai berikut :

Dimana :

ωn = 2πfn,

fn = 10-100kHz,ξ =dianggap kecil = ∞0,01

Berikut ini fungsi transfer dalam fungsi frekuensi :Dari hasil deformasi Kristal menghasilkan muatan (q) yang sebanding dengan perubahan x :

q = Kxkemudian di substitusi dengan fungsi x, menjadi :



d = K/k CN-1 adalah pnilai sensitivitas dari gaya yang terjadi.Dengan x = dVDalam perhitungan nilai q, logam electrode dari kedua permukaan Kristal akan bersifat kapasitor. Dimana kapasitansi dari susunan pelat yang diparalel, sehingga muncul persamaan :

Dimana akan dihubungakan dengan persamaan rangkaian Norton,sehingga disubstitusikan menjadi :

Kemudian di transformasi laplace kan, menjadi :

Fungsi Transer piezoelektrik sensor[2]



KARAKTERISTIK DINAMIK Berikut ini merupakan Karakteristik Resnpon Frekuensi Untuk

Pengukuran Piezoelektrik dan rangkaiannya [2]



CONTOH APLIKASI PIEZOELEKTRIK PADA PRESSURE SENSOR BESERTA SPESIFIKASI SENSOR

MINIATURE PRECISION PRESSURE SENSOR

Untuk mendapatkan pengukuran tekanan dengan akurasi yang tinggi pada termodinamika lingkunganPCB® Model 115A04 adalah yang paling akurat, suhu tinggi, bertekanan tinggi yang mana beban output sensor cocok untuk pengukuran tekanan termodinamika dalam rentang yang luas dari aplikasi seperti mesin dan pembangunan powertrain termasuk analisis pembakaran dan aplikasi lainnya memerlukan akurasi pengukuran tekanan dinamis.Amplitudo lebar dan rentang frekuensiBeban keluaran sensor pada miniature ini memiliki sensing elements yang stabil secara alami, sehingga akurasi sangat tinggi untuk melakukan macam-macam pengukuran tekanan dinamis dengan amplitudo lebar, rentang suhu dan frekuensi. Menawarkan berbagai rentang pengukuran hingga 3.500 psi (241 bar) dan tahan hingga 752°F (400° C).Tahan lama dan dapat diandalkanTerbuat dari stainless steel dan dilas hermetic diaphragm membantu memastikan ketahanan pada uji lingkungan.Disamping itu, aplikasi pada gas tradisional dan mesin diesel, sensor baru ini dapat digunakan untuk uji tekanan dinamis dari mesin kecil, motor dan mesin ATV, peralatan kapal dan mesin pembangkit listrik. Highlights (karakterstik statik)

Highly accurate (with a non-linearity of ≤ 0.3% FS) Measurement range up to 3,500 psi (241 bar) High sensitivity – to 1.40 pC/psi (20.3 pC/bar) Measures accurate pressure in thermodynamic environments (Thermodynamic Error

ΔP max <1%) Durable Stainless Steel Housing

Aplikasi Dynamic Pressure Measurements



Thermodynamic Measurements Small Engine Development Powertrain Development

Friction Loss Analysis Gasoline, Diesel, Natural Gas, Propane, Ethanol and Biofuel Engine

Development Performance Development Emissions/Fuel Economy Development Calibration Development (NVH, Drivability)[3]



Daftar Pustaka :[1] Yelfianhar, Ichwan. 2010. “Piezoelektrik”.[2] Bentley, John O. 2005. “Principles of Measurement Systems”. Fourth Edition.[3] PCB Piezotronics. 2013. “Miniature Precision Pressure Sensor model 115A04”.


pressure sensor-piezoelectric

Documents