TUGAS TERSTUKTUR

INSTRUMENTASI

SENSOR BERAT

Oleh :

Devi Setyo Erbahari (A1H009002)Jamas Axtria Linda (A1H009004)Vivi Medianofari (A1H009015)Meity Wuri Rutrini (A1H009035)A. Faruq Abujihad (A1H009064)Triani Purma (A1H009072)

KEMENTERIAN PENDIDIKAN NASIONALUNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

FAKULTAS PERTANIANPURWOKERTO

2011

KATA PENGANTAR

Puji syukur Alhamdulillah kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas

segala rahmat dan hidayah-Nya kami dapat menyelesaikan tugas terstruktur mata

kuliah instrumentasi tentang sensor berat tepat pada waktu yang di tentukan.

Tidak lupa kami mengucapkan banyak terimakasih kepada Bapak Arif sudarmadji

ST.MT, yang telah memberikan tugas ini serta semua pihak yang telah

memmbantu kami dalam menyusun tugas kami ini terutama atas informasi-

informasi yang telah diberikan kepada kami tentang sensor.

Tugas ini merupakan gambaran mengenai sensor berat dari beberapa jenis

sensor. Meskipun tugas ini telah disusun dengan se cermat mungkin, namun tidak

tertutup kemungkinan bahwa di dalam tugas kami ini terdapat sejumlah

kekurangan dan kekeliruan terutama pada aspek format dan pengetikanya. Oleh

karena itu, kami sebagai penyusun mengharapkan banyak kritik dan saran yang

membangun kepada saudara pembaca agar kami dapat menyusun tugas yang lebih

baik mi waktu mendatang.

Kami sebagai penyusun berharap agar tugas ini bermanfaat bagi kami pada

khususnya serta saudara pembaca pada umumnya.

Purwokerto, April 2011

Tim Penyusun

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Didunia industri tidak akan luput dari apa yang namanya sensor, sebab

umumnya industri-industri mempunyai sejumlah mesin-mesin produksi yang

serba otomatis yang digerakan oleh sensor-sensor tersebut sebagai pemberi sinyal

masukan untuk diproses lebih lanjut oleh bagian controler.

Sensor dalam bahasa indonesia berarti pengindera, pengindera terhadap

suhu, tekanan, cahaya, berat dll. Oleh karena itu terdapat berbagai jenis sensor

yang ada dilapangan sesuai dengan besaran atau nilai yang hendak dideteksi.

Sedangakan macam-macam sensor antara lain adalah : Sensor tekanan (Pressure

switch), Sensor suhu (Thermostat, Sensor aliran / Flow switch), Sensor ketinggian

(Level switch), Sensor pembatas (Limit switch, Sensor jarak / Proximity switch),

Sensor magnet (Reed switch), Sensor berat (Load cell, Sensor cahaya / Photo

switch), dll.

Masing-maing dari sensor tersebut mempunyai karakteristik dan cara kerja

yang berbeda-beda tetapi pada prinsipnya sama yaitu keluaran dari sensor tersebut

umumnya berupa kontak n.o dan kontak n.c, namun cara sensor mendeteksi object

tergantung dari jenis sensor tersebut. Hasil dari pendeteksian ini diperlukan guna

memberikan sinyal masukan ke bagian kontroler.

Pada sistem kontrol otomatis, sensor ini mutlak diperlukan karena sangat

menunjang untuk membantu/mengontrol gerakan-gerakan mesin agar mesin dapat

berjalan dengan sendirinya, tanpa banyak campur tangan manusia sehingga mesin

dapat bekerja secara efective dan efisien. Pada makalah ini kami akan membahas

lebih dalam mengenai sensor berat.

B. Tujuan

1. Mengetahui pengertian sensor berat.

2. Mengetahui jenis-jenis sensor berat.

3. Mengetahui aplikasi sensor berat

II. PEMBAHASAN

Pengertian Sensor

Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang

mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis. Ketepatan

dan kesesuaian dalam memilih sebuah sensor akan sangat menentukan kinerja dari

sistem pengaturan secara otomatis.

Besaran masukan pada kebanyakan sistem kendali adalah bukan besaran

listrik, seperti besaran fisika, kimia, mekanis dan sebagainya. Untuk memakaikan

besaran listrik pada sistem pengukuran, atau sistem manipulasi atau sistem

pengontrolan, maka biasanya besaran yang bukan listrik diubah terlebih dahulu

menjadi suatu sinyal listrik melalui sebuah alat yang disebut transducer

Sebelum lebih jauh kita mempelajari sensor dan transduser ada sebuah alat

lagi yang selalu melengkapi dan mengiringi keberadaan sensor dan transduser

dalam sebuah sistem pengukuran, atau sistem manipulasi, maupun sistem

pengontrolan yaitu yang disebut alat ukur.

1.1.1 Definisi-definisi

D Sharon, dkk (1982), mengatakan 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..

Contoh; Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran,

kulit sebagai sensor peraba, LDR (light dependent resistance) sebagai sensor

cahaya, dan lainnya.

William D.C, (1993), mengatakan transduser adalah sebuah alat yang bila

digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan

energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke

sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik,

kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas).

Contoh; generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi

listrik, motor adalah transduser yang merubah energi listrik menjadi energi

mekanik, dan sebagainya.

William D.C, (1993), mengatakan alat ukur adalah sesuatu alat yang

berfungsi memberikan batasan nilai atau harga tertentu dari gejala-gejala atau

sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi.

Contoh: voltmeter, ampermeter untuk sinyal listrik; tachometer, speedometer

untuk kecepatan gerak mekanik, lux-meter untuk intensitas cahaya, dan

sebagainya.

1.1.2 Peryaratan Umum Sensor dan Transduser

Dalam memilih peralatan sensor dan transduser yang tepat dan sesuai dengan

sistem yang akan disensor maka perlu diperhatikan persyaratan umum sensor

berikut ini : (D Sharon, dkk, 1982)

a. Linearitas

Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah

secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara

kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan

sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya

dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan

dengan masukannya berupa sebuah grafik. Gambar 1.1 memperlihatkan

hubungan dari dua buah sensor panas yang berbeda. Garis lurus pada gambar

1.1(a). memperlihatkan tanggapan linier, sedangkan pada gambar 1.1(b).

adalah tanggapan non-linier.

b. Sensitivitas

Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap

kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan

yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan

masukan”. Beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan

dengan “satu volt per derajat”, yang berarti perubahan satu derajat pada

masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor

panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan “dua volt per derajat”, yang

berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. Linieritas

sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya

linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran

keseluruhan. Sensor dengan tanggapan paga gambar 1.1(b) akan lebih peka

pada temperatur yang tinggi dari pada temperatur yang rendah.

c. Tanggapan Waktu

Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat

tanggapannya terhadap perubahan masukan. Sebagai contoh, instrumen

dengan tanggapan frekuensi yang jelek adalah sebuah termometer merkuri.

100

Tem

pera

tur (

mas

ukan

)

1

100

Tem

pera

tur (

mas

ukan

)

1

00Tegangan (keluaran)

(a) Tangapan linier (b) Tangapan non linier

Gambar 1.1. Keluaran dari transduser panas (D Sharon dkk, 1982),

Tegangan (keluaran)

Masukannya adalah temperatur dan keluarannya adalah posisi merkuri.

Misalkan perubahan temperatur terjadi sedikit demi sedikit dan kontinyu

terhadap waktu, seperti tampak pada gambar 1.2(a).

Frekuensi adalah jumlah siklus dalam satu detik dan diberikan dalam

satuan hertz (Hz). { 1 hertz berarti 1 siklus per detik, 1 kilohertz berarti 1000

siklus per detik]. Pada frekuensi rendah, yaitu pada saat temperatur berubah

secara lambat, termometer akan mengikuti perubahan tersebut dengan “setia”.

Tetapi apabila perubahan temperatur sangat cepat lihat gambar 1.2(b) maka

tidak diharapkan akan melihat perubahan besar pada termometer merkuri,

karena ia bersifat lamban dan hanya akan menunjukan temperatur rata-rata.

Ada bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor.

Misalnya “satu milivolt pada 500 hertz”. Tanggapan frekuensi dapat pula

dinyatakan dengan “decibel (db)”, yaitu untuk membandingkan daya keluaran

pada frekuensi tertentu dengan daya keluaran pada frekuensi referensi.

Yayan I.B, (1998), mengatakan ketentuan lain yang perlu diperhatikan

dalam memilih sensor yang tepat adalah dengan mengajukan beberapa

pertanyaan berikut ini:

a. Apakah ukuran fisik sensor cukup memenuhi untuk dipasang pada tempat

yang diperlukan?

b. Apakah ia cukup akurat?

Rata

-rat

a

Waktu

Tem

pera

tur

1 siklus

50

40

30

50

40

30

(a) Perubahan lambat (b) Perubahan cepat

Gambar 1.2 Temperatur berubah secara kontinyu (D. Sharon, dkk, 1982)

c. Apakah ia bekerja pada jangkauan yang sesuai?

d. Apakah ia akan mempengaruhi kuantitas yang sedang diukur?.

Sebagai contoh, bila sebuah sensor panas yang besar dicelupkan kedalam

jumlah air air yang kecil, malah menimbulkan efek memanaskan air tersebut,

bukan menyensornya.

e. Apakah ia tidak mudah rusak dalam pemakaiannya?.

f. Apakah ia dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya?

g. Apakah biayanya terlalu mahal?

1.1.3 Jenis Sensor dan Transduser

Perkembangan sensor dan transduser sangat cepat sesuai kemajuan

teknologi otomasi, semakin komplek suatu sistem otomasi dibangun maka

semakin banyak jenis sensor yang digunakan.

Robotik adalah sebagai contoh penerapan sistem otomasi yang kompleks,

disini sensor yang digunakan dapat dikatagorikan menjadi dua jenis sensor yaitu:

(D Sharon, dkk, 1982)

a. Internal sensor, yaitu sensor yang dipasang di dalam bodi robot.

Sensor internal diperlukan untuk mengamati posisi, kecepatan, dan

akselerasi berbagai sambungan mekanik pada robot, dan merupakan bagian

dari mekanisme servo.

b. External sensor, yaitu sensor yang dipasang diluar bodi robot.

Sensor eksternal diperlukan karena dua macam alasan yaitu:

1) Untuk keamanan dan

2) Untuk penuntun.

Yang dimaksud untuk keamanan” adalah termasuk keamanan robot, yaitu

perlindungan terhadap robot dari kerusakan yang ditimbulkannya sendiri, serta

keamanan untuk peralatan, komponen, dan orang-orang dilingkungan dimana

robot tersebut digunakan. Berikut ini adalah dua contoh sederhana untuk

mengilustrasikan kasus diatas.

Contoh pertama: andaikan sebuah robot bergerak keposisinya yang baru dan

ia menemui suatu halangan, yang dapat berupa mesin lain misalnya. Apabila robot

tidak memiliki sensor yang mampu mendeteksi halangan tersebut, baik sebelum

atau setelah terjadi kontak, maka akibatnya akan terjadi kerusakan.

Contoh kedua: sensor untuk keamanan diilustrasikan dengan problem robot

dalam mengambil sebuah telur. Apabila pada robot dipasang pencengkram

mekanik (gripper), maka sensor harus dapat mengukur seberapa besar tenaga

yang tepat untuk mengambil telor tersebut. Tenaga yang terlalu besar akan

menyebabkan pecahnya telur, sedangkan apabila terlalu kecil telur akan jatuh

terlepas.

Kini bagaimana dengan sensor untuk penuntun atau pemandu?. Katogori ini

sangatlah luas, tetapi contoh berikut akan memberikan pertimbangan.

Contoh pertama: komponen yang terletak diatas ban berjalan tiba di depan

robot yang diprogram untuk menyemprotnya. Apa yang akan terjadi bila sebuah

komponen hilang atau dalam posisi yang salah?. Robot tentunya harus memiliki

sensor yang dapat mendeteksi ada tidaknya komponen, karena bila tidak ia akan

menyemprot tempat yang kosong. Meskipun tidak terjadi kerusakan, tetapi hal ini

bukanlah sesuatu yang diharapkan terjadi pada suatu pabrik.

Contoh kedua: sensor untuk penuntun diharapkan cukup canggih dalam

pengelasan. Untuk melakukan operasi dengan baik, robot haruslah menggerakkan

tangkai las sepanjang garis las yang telah ditentukan, dan juga bergerak dengan

kecepatan yang tetap serta mempertahankan suatu jarak tertentu dengan

permukaannya.

Sesuai dengan fungsi sensor sebagai pendeteksi sinyal dan meng-informasikan

sinyal tersebut ke sistem berikutnya, maka peranan dan fungsi sensor akan

dilanjutkan oleh transduser. Karena keterkaitan antara sensor dan transduser

begitu erat maka pemilihan transduser yang tepat dan sesuai juga perlu

diperhatikan.

1.1.4 Klasifikasi 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)

1.2 Pengertian sensor berat

Sensor berat adalah suatu alat yang dapat mendeteksi berat dan kemudian

diubah menjadi sinyal-sinyal listrik. Sensor berat ini termasuk bagian dari sensor

mekanis. Jenis jenis sensor berat :

1.2.1 Load cell

Sel Load, komponen sensor berat yang digunakan dalam skala, menimbang

industri, tank berat, konveyor berat, kontrol mesin.

cara kerja mirip dengan sensor tekanan yaitu mengubah gaya menjadi

perpindahan

menggunakan rangkaian jembatan untuk pembacaan, kalibrasi dan

kompensasi temperatur

alternatif lain menggunakan kristal piezoelektrik untuk mengukur perubahan

gaya.

konfigurasi load cell

Gambar 3.34. Beberapa Contoh Konfigurasi Load Cell

• Spesifikasi Error dan Nonlinearitas pada Sensor

Gambar 3.35. Respon sensor secara umum

(a) Simpangan dari garis linear (b) Bentuk sinyal terdefinisi

Macam macam jenis load cell adalah:

Load Cell jenis berdasarkan prinsip kerja

Balok kantilever atau tekukan

Kompresi

Tarik

Universal

Geser

Momen

Berongga

Load Cell berdasarkan jenis konstruksi

Bending balok

Paralel balok atau Teropong Beam

Kaleng kecil

Geser balok

Single kolom

Multi-kolom

Serabi

Tombol Load

Single geser balok berakhir

Double berakhir balok geser

"S" tipe

Batang Inline akhir

Digital elektro Angkatan

Diafragma / membran

Torsi cincin

Bending cincin

Membuktikan cincin

Load Pin

Load Cell jenis berdasarkan sifat listrik

Resistif

Piezoelektrik

Kapasitansi

Analog

Digital

Wireless

Contoh load cell:

Compression Weigh Modules

Modul Timbang digunakan untuk tangki berat, hopper berat, sisik conveyor,

konversi skala. Kompresi menimbang modul dirancang untuk diinstal di bawah

kaki, mounting lugs, atau dukungan balok dari struktur. Berat yang sedang diukur

memampatkan berat load cell modul, menyebabkan perubahan pada sinyal

keluaran. Kami menawarkan model untuk memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi

berat statis dan dinamis dalam berbagai kapasitas.

Tension Weigh Modules

Modul Timbang digunakan untuk tangki berat, hopper berat, sisik conveyor,

konversi skala. Ketegangan menimbang modul dirancang untuk digunakan dengan

tangki dihentikan, hopper dosis dan perangkat lainnya yang tersuspensi dari

sebuah struktur dukungan. Kami menawarkan berbagai kapasitas untuk memenuhi

kebutuhan berbagai aplikasi berat

Canister/Ring Load Cell

Sel beban Ring dan sel beban tabung digunakan dalam skala tangki, kapal

berat, sisik silo, truk berat, timbangan kendaraan, skala rel. Kami menawarkan sel

beban digital dan sel beban analoge dengan persetujuan OIML dan NTEP juga

untuk digunakan di daerah berbahaya.

Double Ended Beam Load Cells

Double berakhir balok mencakup pusat dan mengakhiri gaya dimuat untuk

tangki dan hopper berat dan skala kendaraan.

S-Beam Load Cells/Tension Load Cells

Load sel digunakan untuk tangki berat, hopper berat, konveyor berat, konversi

skala. Ketegangan S-sel yang dirancang untuk digunakan dengan tangki

dihentikan, hopper dosis dan perangkat lainnya yang tersuspensi dari sebuah

struktur dukungan. Kami menawarkan berbagai kapasitas load cell untuk

memenuhi kebutuhan berbagai aplikasi berat.

Analog Junction Boxes

Mettler Toledo kotak penyambung analog yang cocok untuk koneksi yang

cepat dan sederhana sel beban ganda untuk elektronik berat. Trim pot terpadu

memungkinkan seseorang untuk meminimalkan kesalahan sudut dengan hanya

menggunakan obeng - tidak resistor solder atau terpisah diperlukan. Perumahan

stainless steel menyediakan kehandalan terbaik.

Single Ended Beam Load Cells

Beam load cell digunakan dalam kelipatan dalam skala lantai, weighers ikat

pinggang, berat sistem, skala palet, skala cek, skala conveyor. Kebanyakan sel

balok beban Mettler Toledo sepenuhnya disetujui acc. untuk OIML, NTEP, FM

dan ATEX sebagai standar. Dengan demikian mereka dapat secara global

digunakan dalam sistem menimbang hukum. Mereka sebagian besar terbuat dari

stainless steel untuk mengatasi lingkungan industri yang keras.

1.2.2 Strain Gauge

Strain adalah jumlah deformasi dari suatu bagian dalam kaitannya dengan

gaya. Secara rinci strain (e) digambarakn sebagai perubahan panjang, seperti yang

terlihat pada gambar dibawah ini.

Gambar.1 Pengertian Strain

“Strain Gauge” pertama kali ditemukan oleh Edward E. Simmons pada 1983

dalam bentuk foil logam yang bersifat insulif (isolasi) yang menempel pada benda

yang akan diukur tekanan beratnya. Secara prinsip apabila strain gauge diberi

tekanan maka tahanan listrik strain gauge akan berubah karena proses deformasi

pada strain gauge dengan besarnya perubahan tahanan listrik tersebut akan

mengikuti esarnya perubahan tekanan yang diterima strain gauge.

Elastisitas strain gauge erupakan perbandingan perubahan panjang terhadap

panjang mula – mula :

Parameter dasar dari strain gauge sensitivitas terhdap starin (tegangan), yan

dinyatakan besaranya sebagai faktor gauge. Faktor gauge merupakan

perbandingan fraksi perubahan resistansi (∆R) terhadap fraksi perubahan panjang

(strain), secara matematis ditulis sebagai berikut :

Nilai faktor gauge bahan berbeda beda contohnya

• Metal incompressible Gf = 2

• Piezoresistif Gf =30

Idealnya resistansi ari strain gauge akan berubah hanya merespon adanyan

berubahan strain. Akan tetapi material strain gauge, seperti halnya jenis material

yang dipilih sebagai pembentuknya akan dapat merspon perbuhan temperatur.

Perushan pembuat starin gauge berusaha meminimalis sensitivitas terhadap suhu

(temperatur).

Contoh : untuk memperkirakan kompensasi suhu terhadap resistansi, misal

alumunium yang mempunyai koefisens temperatur 23 ppm/oC dengan nilai

resistansi 1000 ; dan faktor gauge 2 , mempunyai ralat terhadap suhu sebesar

11,5 /oC. Oleh karena itu pengaruh suhu sangat penting terhadap strain gauge.

Pengukuran Strain (Ketegangan)

Pengukuran ketegangan menggunakan strain gauge dilakukan dengan

menempatkan strain gauge pada rangkaian jembatan.

Dalam prakteknya, orde pengukuran strain tidak lebih dari milistrain (e x 10-

3), oleh karena itu pengukuran ketegangan memerlukan pengukuran yang sangat

akurat dari perubahan yang sangat kecil dari resistansinya.sebagai contoh : suatu

bahan mengalami stran sebesar 500 με, dengan faktor gauge 2 akan

memperlihatkan resistansi hanya 2 (500 x 10-6) = 0,1 %, maka untuk 120 Ω gauge

dari bahan tersebut hanya mengalami perubahan resistansi 0,12 Ω.

Prinsip Kerja Strain Gauge

Ketika terjadi regangan pada suatu benda uji (specimen) yang telah di

pasangi strain gauge, maka regangan itu terhantarkan melalui alas gauge (isolatif)

pada foil atau penghantar resistif di dalam gauge tersebut. Hasilnya adalah foil

atau penghantar halus tadi akan mengalami perubahan nilai resistansinya.

Perubahan resistansi ini berbanding lurus terhadap besarnya regangan.

Alasan Memilih Strain Gauge

Strain gauge hadir dengan menawarkan segenap keistimewaan fiturnya jika

dibandingkan dengan metode lain.

Bentuknya yang sederhana dengan massa / berat yang dapat diabaikan dan

ukurannya yang kecil, sehingga tidak menimbulkan interferensi (gangguan

pengaruh luar) pada tegangan dalam specimen. Dapat digunakan untuk

melokalisir bagian evaluasi pengukuran karena jarak titik ukur yang pendek.

Memiliki kepekaan yang tinggi terhadap frekuensi sehingga dapat digunakan

untuk menelusuri rambatan fluktuasi tegangan. Memungkinkan melakukan

pengukuran di sejumlah titik secara bersamaan dan pengukuran jarak jauh.

Dengan output berupa sinyal elektrik, memudahkan pengolahan data (data-

processing).

Namun demikian, di samping sejumlah keunggulan yang ditawarkan tadi,

strain gauge juga memiliki beberapa keterbatasan. Setiap Strain gauge memiliki

keterbatasan dalam hal suhu, fatigue (kelelahan), batas kemampuan regangan, dan

ketahanan terhadap kondisi lingkungan pengukuran. Semua keterbatasan

keterbatasan tersebut harus diuji dan dipastikan terlebih dahulu sebelum strain

gauge tersebut digunakan.

Gambar ilustrasi strain gauge

Nilai perubahan tahanan pada strain gauge yang mengalami perubahan

tekanan tidak signifikan, sehingga untuk dapat memberikan perubahan nilai

elektrik maka perubahan tahanan pada strain gauge ini dimasukan ke dalam

rangkaian jembatan wheatstone seperti gambar berikut.

Besarnya tekanan yang diterima strain gauge dinyatakan dalam bentuk

faktor gauge, GF yang di definisikan sebagai berikut.

Dimana RG adalah tahanan sebelum strain gauge diberi tekanan atau

sebelum ada deformasi, AR adalah perubahan tahanan listrik yang terjadi dan e

adalah tekanannya.

Strain gauge adalah bagian yang sangat penting dari sebuah load cell.

Fungsi dari strain gauge adalah untuk mendeteksi besarnya perubahan, dalam hal

ini berupa dimensi jarak, yang disebabkan oleh suatu elemen gaya. Strain gauge

digunakan untuk pengukuran presisi gaya, berat, tekanan, torsi, perpindahan dan

kuantitas mekanis lainnya yang dapat dikonversi menjadi ketegangan dalam

anggota mekanis. Strain gauge menghasilkan perubahan nilai tahanan yang

proporsional dengan perubahan panjang atau jarak (length).

Pada umumnya strain gauge dipasang sebagai bagian dari rangkaian

jembatan Wheatstone untuk aplikasi sirkuit elektrik.

Ada dua tipe dasar strain gauge, yaitu yang terikat (bonded) dan yang tidak

terikat (unbonded). Bonded strain gauge seluruhnya terpasang pada elemen gaya

(force member) dengan menggunakan semacam bahan perekat. Selagi elemen

gaya tersebut meregang, strain gauge tersebut juga memanjang. Unbonded strain

gauge memiliki salah satu ujung yang dipasang pada elemen gaya dan ujung

satunya dipasang pada pengumpul gaya (force collector).

Setiap perubahan panjang, baik pada bonded maupun unbonded gauge

menyebabkan perubahan nilai tahanan listrik. Strain gauge dibuat dari logam dan

bahan-bahan semikonduktor. Strain gauge sangat akurat, bisa digunakan baik

pada arus searah (DC) maupun arus bolak-balik (AC) dan memiliki respons statis

dan dinamis yang sangat bagus. Sinyal yang dihasilkan oleh strain gauge sangat

lemah, tetapi kelemahan ini dapat diperbaiki dengan menggunakan peralatan

bantu yang baik.

Strain gauge memiliki elemen merasakan ketegangan yang melekat atau

berpegang pada materi subjek. Ketika bahan pokok tegang, hambatan dari elemen

merasakan perubahan dalam proporsi pengalaman ketegangan. Perubahan

resistansi dalam elemen penginderaan seperti dikompres atau memanjang diukur

dan digunakan untuk menghitung ketegangan dalam materi subjek. Regangan

terbuat dari bahan yang berbeda-beda dalam menanggapi resistensi terhadap

deformasi bentuknya, dengan ketegangan, kompresi, atau puntiran.

Pada strain gauge terjadi perubahan tahanan R yang akan diukur dan perubahan

ini biasanya kecil. ∆R memiliki harga sangat kecil. Untuk mengukur tahanan

pertama kita harus menemukan cara untuk mengkonversikan perubahan tahanan

menjadi sebuah arus atau tegangan unutk ditampilkan pada amperemeter atau

voltmeter.

Rangkaian Sensor Berat

P ada bagian ini akan dijelaskan tentang perancangan sistem yang dibagi

atas dua bagian utama yaitu perancangan perangkat keras dan perancangan

perangkat lunak. Dalam perancangan ini diperhatikan kondisi alat timbang badan

pada nilai pendekatan yang menunjukkan nilai stabil dari pembacaan yang

dilakukan terhadap obyek yang terukur.

3.1 Perancangan sistem hardware

Pada perancangan hardware menguraikan proses pengolahan sinyal

tegangan yang dihasilkan melalui alat ukur dalam hal ini load cell sebagai

pengukur berat dan resistor geser yang dihasilkan dari sistem gulungan email

sebagai pengukur tinggi badan. Dari kedua alat tersebut diolah hingga

menghasilkan suara melalui proses digital. Proses pengolahan tegangan tersebut

seperti pada blok diagram berikut ini.

Gambar 3.1 Diagram blok pengolahan tegangan pada sistem timbang badan

3.2 Sensor berat dan tinggi badan

Pada sistem penimbang tinggi badan ujung-ujung kumparan geser diberikan

tegangan 5 volt sedangkan penggeser menggunakan batang ferit dimana titik

pergeseran ferit tersebut menghasilkan tegangan keluaran berdasar prinsip resistor

pembagi tegangan. Sehingga pada sistem pengukur tinggi badan ini menggunakan

prinsip rangkaian sebagai berikut :

Gambar 3.2 Rangkaian detektor tegangan pada resistor geser

Dengan metode tersebut maka tegangan keluaran dihasilkan melalui

perbandingan sebagai berikut :

Dengan prinsip rangkaian diatas maka semakin tinggi ferit maka semakin

besar tegangan yang dihasilkan oleh sistem ini.

Pada penimbang berat badan menggunakan sensor berat jenis load cell

dimana pada sensor ini merupakan jenis transducer yang akan langsung

menghasilkan nilai tegangan dari perubahan tekanan yang membebani sensor

tersebut. Kenaikan tegangan pada sensor ini terjadi secara linier dimana seiring

penambahan beban maka tegangan yang dihasilkan pada sisi keluarannya akan

secara linier naik.

Perancangan sistem kalibrasi tegangan

Rangkaian kalibrasi tegangan atau sering juga disebut kompensasi isyarat

merupakan rangkaian yang terdiri dari kombinasi Op-Amp yang diperlukan

sebagai pengatur komposisi tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing sensor

sehingga melalui sistem ini dihasilkan suatu kelinieran tegangan dari ketidak

stabilan dan ketidak tepatan tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing sensor

secara langsung.

Rangkaian kalibrasi ini berupa rangkaian penguat inverting yang terpasang

secara bertingkat, sehingga mempunyai dua fungsi yaitu untuk memperbesar

amplitudo tegangan DC yang dihasilkan oleh keluaran sensor sekaligus sebagai

pengatur ofset DC nya. Pemilihan jenis penguat inverting secara bertingkat ini

dimaksudkan untuk.

Gambar 3.3 Rangkaian kalibrasi tegangan keluaran sensor.

Sistem kompensasi/kalibrasi tegangan seperti pada gambar diatas terpasang

pada masing-masing sensor yang digunakan dalam sistem timbangan VR-50K

pada input noninverting Op-amp I berfungsi sebagai pengatur offset untuk

menentukan nilai awal dari tegangan yang dihasilkan oleh rangkaian kalibrasi ini.

Sedangkan VR-50K pada Op-Amp II berfungsi sebagai penguat tegangan dari

tegangan awal yang dihasilkan oleh sensor pada sisi masukan.

Untuk memilih jenis pengukuran pada timbangan ini dilakukan dengan

melalui sebuah selektor switch yang memilih tipe timbangan berat ataupun tipe

timbangan tinggi. Dengan selektor ini maka pengukuran dapat dilakukan secara

bergantian untuk menghindari benturan alamat pada mikrokontroller sebagai

pengalamatan kode suara untuk IC ISD 1420.

Perancangan sistem ADC

Tegangan yang dihasilkan oleh sensor berat dan sensor tinggi yang

dilewatkan pada masing-masing rangkaian kompensasinya merupakan tegangan

analog, sedangkan untuk semua proses pengalamatan pada mikrokontroler ini

yang diperlukan adalah tegangan digital, untuk itu tegangan analog ini perlu

diubah dalam bentuk digital. Untuk keperluan pengubahan analog ke digital ini

diperlukan rangkaian converter analog ke digital, dalam hal ini menggunakan IC

ADC 0804.

Rangkaian ADC 0804 yang digunakan adalah respon terkendali, dimana

perubahan pembacaan data masukan dikendalikan oleh clock yang dihubungkan

pada pin WR sehingga perubahan data dimulai setelah input WR tinggi. Untuk itu

rangkaian ini dilengkapi dengan rangkaian clock dengan IC CMOS 4081 untuk

memberikan kepastian detak ADC 0804. Dengan menambahkan clock pada ADC

0804 ini menyebabkan keluaran biner ADC 0804 lebih stabil yang juga berimbas

terhadap angka-angka digital yang ditampilkan. Sistem minimum rangkaian ADC

0804 adalah sebagai berikut:

Gambar 3.4 Sistem minimum rangkaian ADC 0804

ADC 0804 ini mempunyai masukan (Vin +) yaitu kaki 6 sebagai masukan

sinyal analog, kaki 9 (Vref/2) berfungsi untuk menentukan tegangan referensi

(Vref) yang dapat dilakukan dengan mengatur tegangan pada Vref/2 dengan

potensio tegangan VR 10K. Kaki chip select (CS) dan Rd aktif low, output enable

dihubungkan ke ground. Kaki WR untuk memulai pengubahan atau yang lebih

dikenal dengan start conversion (SC) yang diberi clock dari IC CMOS 4081 yang

memberikan perubahan detak dari pulsa rendah kemudian pulsa tinggi untuk

memulai perubahan biner ketika masukan berubah.

Tegangan biner yang dihasilkan dari ADC 0804 ini memanfaatkan 8 titik

keluarannya (D7 sebagai MSB hingga D0 sebagai LSB) sehingga pada kondisi

maksimal tegangan biner yang dihasilkan oleh ADC ini adalah 1111 1111 atau

255 kondisi masukan analog.

IC program mikrokontrol AT89C51

Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan ini adalah

mikrokontroler AT89C51 yang memiliki kemampuan sebagai berikut:

Kompatibel dengan produk dan program assembler MCS-51

Dapat di simpan program sebesar 4 kByte Flash.

32 pin Input/Output yang dapat diprogram.

128 x 8 bit internal RAM

Dua buah timer / counter 16 bit.

Dengan kemampuan sesuai fasilitas mikrokontrol AT89C51 diatas maka pada

mikrokontroller ini mampu melakukan pemrograman untuk pengalamatan data

masukan sebagai penampil suara sekaligus mampu melakukan pengalamatan

untuk menampilkan angka yang diukur pada seven segment. Untuk proses

pengalamatan kode suara pada system ini menggunakan data pada port 2 yang

terhubung dengan port masukan IC ISD 1420 sedangakan untuk pengalamatan

kode yang ditampilkan kedalam seven segment menggunakan port 3. kedua port

keluaran tersebut mengambil data dari port 0 yang terhubung dengan data

masukan dari ADC 0804.

Sementara port 1 digunakan sebagai pengendali system kompensasi

sehingga jenis timbangan dapat di-select untuk mode ukur tinggi dan ukur berat.

Pada aplikasi ini untuk pengukuran berat dan tinggi badan port 1.0 sebagai chip

select harus selalu dihubungkan dengan kondisi aktif rendah sehingga untuk setiap

mode pengukuran yang ingin ditampilkan, selector harus dihubungkan dengan

tegangan low (0 volt).

Rangkaian mikrokontroler AT89C51 didisain dalam bentuk minimum

seperti yang terlihat pada gambar 3.5.

Gambar 3.5 Konfigurasi sismin mikrokontroller AT89C51

Perancangan sistem ISD 1420

Information Storage Device (ISD) 1420 merupakan suatu chip yang bila

secara terintegrasi terhadap komponen pendukung bisa digunakan sebagai

penyimpan data suara yang direkam dan didownloadkan didalamnya. Metode

penyimpanan data suara pada ISD dibatasi oleh lama waktu yang ditentukan oleh

masing-masing chip ISD tersebut. Seperti halnya ISD 1420 diartikan mampu

menyimpan data suara hingga maksimal 20 detik. Pada perancangan sistem

timbangan dengan tampilan suara ini data yang disimpan kedalam ISD dilakukan

dengan memasukkan setiap suku kata dari keseluruhan kata yang harus

ditampilkan pada kemungkinan pengukuranyang terjadi.

Metode pengisian data suara kedalam ISD ini dilakukan melalui perekam

suara yang dapat disimpan dalam bentuk wave. Setelah melalui proses editing

untuk mendapatkan kualitas suara yang baik ,dari program wave suara di down

load dengan menekan tombol REC pada rangkaian terintegrasi ISD melalui port

LPT yang dihubungkan dengan port ISD tersebut . Suara yang didownload

kedalam ISD disimpan dalam bit-bit biner dengan satu alamat data untuk setiap

satu suku kata.

Untuk menampilkan suara dari data yang disimpan dilakukan dengan

memanggil data biner tersebut. Sebagai suatu contoh untuk menampilkan suara

“lima kilogram” maka data biner untuk masing-masing suku kata lima, dan

kilogram dipanggil secara berurutan. Sistem minimum dari rangkaian ISD 1420

yang terintegrasi dengan sistem rekam data adalah sebagai berikut :

Gambar 3.6 Skematik rangkaian ISD 1420

Dekoder seven segment BCD 74LS248

Pemilihan dekoder seven segment menggunakan IC dekoder 74LS248,

pemilihan ini berdasar pada beberapa kriteria diantaranya adalah kemampuan IC

dekoder tersebut dalam menampilkan model angka pada led seven segment secara

sempurna terutama dalam menampilkan angka 9 dan angka 6. Kriteria lain adalah

karena jenis seven segment yang digunakan adalah jenis katoda bersama dimana 0

menjadi common dan hal ini sangat sesuai dengan karakteristik dekoder 74LS248

dimana keluaran dekoder ini merupakan logika output tinggi atau sering disebut

dengan istilah aktif high. Metode penyambungan dekoder 74LS248 yang

teraplikasi pada seven segment penunjuk berat dan tinggi badan pada pembuatan

alat ini dilakukan dengan model scanning melalui port mikrokontroller sehingga

untuk sebuah IC bisa digunakan untuk menjalankan seven segment hingga

sejumlah port yang dimanfaatkan. Sedangkan IC dekoder ini hanya mengaktifkan

common seven segmet tersebut melalui sebuah transistor untuk setiap seven

segment yang digunakan. Dengan sistem rangkaian seperti ini maka dapat

melakukan penghematan IC dekoder tersebut.

Gambar 3.7

Rangkaian scanning seven segment katoda bersama IC ini masukannya

berupa bilangan biner 4-bit yang ditunjukkan pada oleh bilangan A,B,C,D. Pada

gambar 3.7 bilangan BCD tersebut dikodekan, maka hasilnya akan ditampilkan

pada tujuh segmen. Dua masukan lainnya yaitu masukan uji lampu yang berfungsi

untuk menguji apakah semua lampu segment beroperasi dengan memberi kondisi

rendah (active low). Selanjutnya masukan pengosongan dan pengosongan akan

mematikan semua segmen dan mengosongkan penampil hanya bila berisi 0.

Keduanya diaktifkan oleh masukan rendah (active low). Keluaran dari IC ini juga

merupakan keluaran yang aktif tinggi. Gambar 3.7 memperlihatkan sebuah

pendekode BCD ke tujuh segment digunakan untuk mengendalikan sebuah LED

tampilan tujuh segmen. Untuk menjelaskan rangkaian ini, kita anggap bahwa

masukan BCD adalah D=0, C=1, B=0, A=1, yang berarti BCD untuk 5. Dengan

masukan–masukan ini, keluaran dekoder atau penggerak a,f,g,c,d akan digerakkan

dengan logika tinggi (High) memungkinkan arus melalui bagian LED a,f,g,c, dan

d; yang akan menampilkan angka 5, keluaran b dan e akan low (open), sehingga

bagian LED b dan e tidak menyala.. Karena keluaran dari IC ini aktif tinggi maka

digunakan tujuh segment katoda bersama.

Perancangan sistem software

Pada sistem perangkat lunak ini berisi tahap-tahap perancangan program

pada mikrokontroller AT89C51. Dimana didalam IC program ini merupakan otak

dari sistem yang ingin daijalankan pada perancangan alat timbangan digital ini.

Untuk merancang suatu pengalamatan program terlebih dahulu harus disisun

suatu diagram alir agar pengalamatan program terorganisir dengan baik

didalamnya. Diagram alir dalam perancangan sofware ini sebagai berikut :

Gambar 3.8 Diagram alir perancangan software.

Pada diagram alir diatas terdapat beberapa instruksi yang harus dipilih oleh

operator penimbang. Saklar mode dimaksudkan untuk memilih jenis pengukuran

yang ingin dilakukan (berat atau tinggi), pada sistem ini untuk membedakan mode

pengukuran berat dilakukan dengan menghubungkan dengan ground pada saklar

yang terhubung dengan port P1.0. Sedangkan untuk pengukuran tinggi badan

dilakukan dengan menguhubungkan dengan VCC pada saklar yang terhubung

dengan port P1.0 tersebut.

Setelah mode dipilih ADC akan membaca besaran masukan baik berat

maupun tinggi untuk dialamatkan pada mikrokontroller AT89C51. Pada IC

program ini dilakukan pengolahan data biner tersebut menjadi alamat suara dan

alamat BCD untuk mengaktifkan sevensegment. Pengalamatan suara

diterjemahkan melalui ISD 1420 menjadi output suara yang terangkai berdasar

alamat masukannya. Data yang dihasilkan oleh suara ataupun seven segment ini

merupakan data pengukuran yang dilakukan. Untuk melakukan pengukuran lagi

dilakukan dengan menekan saklar mode pengukuran kembali yang sekaligus

sebagai reset dari sistem yang telah dilakukan.

1.3 Aplikasi Sensor Berat

Aplikasi sensor berat dan pengontrolan motor servo pada robot pembuat

kopi otomatis berbasis mikrokontroler avr atmega 8535.

Robot banyak digunakan dalam kebutuhan sehari-hari, baik di industri

maupun di rumah tangga, salah satunya difungsikan sebagai pembuat kopi

otomatis. Adapun tujuan dari pembuatan robot pembuat kopi otomatis adalah

untuk mengetahui prinsip kerja sensor berat yang merupakan input dari

mikrokontroler AVR ATMega 8535, serta mempelajari prinsip kerja motor servo

sebagai penggerak yang merupakan output dari mikrokontroler AVR ATMega

8535. Dari data yang ada dapat dilihat bahwa beban dari berat dapat mengubah

nilai tegangan pada sensor berat. Dari hasil deteksi sensor berat akan menuju ke

mikrokontroler AVR ATMega 8535 yang akan mengeksekusi input sensor berat

agar memerintahkan robot untuk bergerak. Dari data tersebut dapat dianalisa

bahwa semakin besar berat yang dideteksi maka semakin besar nilai tegangan

yang dihasilkan. Kesimpulan dari proyek akhir ini bahwa sensor berat dapat

mendeteksi berat dengan pengubahan sifat mekanis (tekanan) menjadi energi

listrik. Pada saat sensor berat belum mendeteksi berat (0 gram) maka tegangannya

sebesar 0,2 volt, pada saat mendeteksi berat cangkir (200 gram) maka tegangan

sebesar 1 volt sedangkan pada saat mendeteksi berat cangkir dengan penambahan

berat air (400 gram) maka tegangan sebesar 2,2 volt.

Aplikasi lain dari sensor berat antara lain:

a. Timbangan digital

b. Timbangan berat badan

c. Timbangan per

d. Alat pelengkap robot

e. Penyortir buah

f. Pengatur pemasukan batubara pada mesin pembersih/penghancur

III. PENUTUP

A. Kesimpulan

1. Sensor berat adalah suatu alat yang dapat mendeteksi berat dan kemudian

diubah menjadi sinyal-sinyal listrik. Sensor berat ini termasuk bagian dari

sensor mekanis.

2. Sensor berat terbagi dari load cell dan strain gauge.

3. Aplikasi sensor berat salah satunya adalah pengontrolan motor servo pada

robot pembuat kopi otomatis berbasis mikrokontroler avr atmega 8535.

Timbangan digital, timbangan berat badan, timbangan per, alat pelengkap

robot, penyortir buah, pengatur pemasukan batubara pada mesin

pembersih/penghancur.

DAFTAR PUSTAKA

Cooper, David, William, 1985, Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Penerbit Erlangga, Jakarta.

Couch. Leon W., 1997, Digital and Analog Communication Systems, Prentice Hall International Inc.

http://bravoelectronicpakem.blogspot.com/ Diakses tanggal 7 April 2011

http://id.mt.com/id/en/home/products/Industrial_Weighing_Solutions/load_cells_and_weigh_modules.html?sem=08010123. Diakses tanggal 7 April 2011

http://id.mt.com/id/en/home/products/Industrial_Weighing_Solutions/load_cells_and_weigh_modules/s_cells_tension_cells.html. Diakses tanggal 7 April 2011

http://id.mt.com/id/en/home/products/Industrial_Weighing_Solutions/load_cells_and_weigh_modules/canister_ring_LC.html. Diakses tanggal 7 April 2011

http://id.mt.com/id/en/home/products/Industrial_Weighing_Solutions/load_cells_and_weigh_modules/double_ended_beam.html. Diakses tanggal 7 April 2011