Cara Kerja Sensor Piezoelectric Jenis Film PVDF

Posted on

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.

Sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi (atau mengukur) besaran fisik menjadi besaran elektrik. Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen tersebut. Sumber fenomena ini adalah adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/ Newton. Piezoelectric sensor jenis Film PVDF adalah sensor tekanan yang berfungsi untuk menghitung jumlah kendaraan yang melewati ruas jalan tertentu per satuan waktu.

PIEZOELECTRIC

Bahan Sensor

Sensor ini dirancang dengan bahan yang disebut PVDF (Polyvinylidene Fluoride) film / plastic polymer dan conductive rubber sebagai bahan utama sensor untuk pengukuran beban, tegangan, regangan ataupun deformasi dari suatu struktur.

Sedangkan bahan-bahan lain yang digunakan untuk sensor Piezoelectric ini adalah kristal turmalin, kuarsa, ratna cempaka, dan garam rossel, karena dengan kemampuan bahan-bahan tertentu tersebut dapat  menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan-bahan itu dipanaskan atau didinginkan, dengan pemahaman akan struktur dan perilaku sebuah kristal. Ukuran dan bentuk sensor ini dapat dibuat sangat fleksibel atau berdasarkan kebutuhan penggunaannya.

Karakteristik Sensor

Suatu bahan piezoelektrik dapat mengubah deformasi mekanik menjadi medan listrik yang setara (direct piezoelectric effect), dan sebaliknya dapat mengubah medan listrik yang dikenakan padanya menjadi deformasi mekanik yang setara (converse piezoelectric effect). PVDF jenis lapisan tipis atau sering disebut film PVDF ini mempunyai beberapa sifat yang menguntungkan, di antaranya adalah: fleksibel, ringan, mampu bekerja pada pita frekuensi yang sangat lebar, dan juga tersedia dalam berbagai bentuk ketebalan dan luasan. Di samping itu, film PVDF dapat ditempelkan secara langsung pada material lain (misalnya karet, baja) dengan menggunakan bahan perekat, tanpa mengakibatkan kerusakan pada material bersangkutan maupun film PVDF-nya.

Apabila film PVDF terdeformasi secara mekanik, misalnya terkena tekanan, maka partikel penyusunnya menjadi terpolarisasi sehingga menimbulkan konsentrasi muatan listrik pada masing-masing permukaannya. Besarnya konsentrasi muatan listrik yang terbentuk ini dapat dinyatakan dalam dua mode persamaan, yaitu charge mode dan voltage mode.

Desain mekanis sistem sensor

Sistem sensor didesain seperti pada gambar 3 seperti di bawah. Karet pejal dengan tingkat kekerasan (hardness) 70% dibuat berbentuk seperti huruf T yang tebal, dengan sisi bagian bawah mempunyai lebar 6 cm dan sisi bagian atas mempunyai lebar 8 cm, serta panjang 100 cm. Dengan tingkat kekerasan ini, diharapkan karet mampu menahan beban besar (sampai dengan lebih dari 200 kg) tanpa kehilangan sifat elastisitasnya.

Bantalan karet ini selanjutnya dimasukkan pada casing besi untuk pemerataan pembebanan dan perlindungan kerusakan. Antara casing besi dengan karet pejal disekrup dengan erat sehingga diharapkan tidak ada gesekan antara casing besi dengan karet pejal yang dapat mengganggu tegangan keluaran sensor piezoelektrik. Dengan adanya pengait ini diharapkan dapat menurunkan noise pada data pengukuran.

Cara Pengukuran Sensor / Cara Kerja Sensor

Dari rangkaian pengkondisi sinyal dapat diketahui bahwa sinyal keluaran dari elemen film PVDF adalah muatan listrik yang nilainya dalam orde pico coulomb (pC). Nilai ini adalah terlalu kecil untuk umumnya piranti ukur seperti voltmeter atau osiloskop. Sehingga diperlukan suatu pengondisi sinyal yang berfungsi sebagai penguat tegangan pengukuran. Terdapat dua mode pengkondisi sinyal yang umumnya dipergunakan pada bahan-bahan piezoelektrik, yaitu charge mode amplifier dan voltage mode amplifier. Pada desain ini dipergunakan charge mode amplifier dengan salah satu pertimbangan bahwa pada mode ini panjangnya kabel konduktor tidak akan berpengaruh pada sinyal keluaran.

Desain lengkap rangkaian pengkondisi sinyal diberikan pada gambar 4. Dengan rangkaian yang terdiri atas dua unit yaitu charge amplifier dan gain control.Charge amplifier sebagai pengubah besaran muatan listrik menjadi tegangan listrik setara, sedangkan gain control sebagai rangkaian penguat tegangan listrik. Komponen Cp dan Vp yang dirangkai secara seri adalah rangkaian ekivalen dari elemen film PVDF.

Berikut ini adaah contoh pengujian sensor piezoelectric tipe film PVDF. Pengujian ini dilakukan di lapangan langsung karena untuk mengetahui sampai sejauh mana sistem instrumentasi ini dapat diaplikasikan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan sepeda motor yang dikendarai oleh seseorang (beban kendaraan dan pengendara yang sama) yang dilewatkan pada sistem sensor. Data diambil pada saat sistem sensor dilewati oleh sepeda motor. Kecepatan sepeda motor yang digunakan adalah 10 km/jam, 20 km/jam dan 30 km/jam.

Hasil pengujian masing-masing untuk kecepatan sekitar 10 km/jam (gb.8a), 20km/jam (gb.8b), dan 30 km/jam. Analisis dari hasil percobaan ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Dua sinyal pada masing-masing gambar menunjukan sinyal akibat tekanan roda depan dan roda belakang. Untuk tiap-tiap kecepatan kendaraan, memberikan jarak antara sinyal tekanan roda depan dan roda belakang yang tidak sama. Untuk kecepatan yang lebih tinggi, jarak antara dua sinyal semakin kecil.

Hal ini sangat logis karena untuk menempuh jarak yang sama (jarak roda depan-belakang) diperlukan waktu yang semakin lama untuk kecepatan yang semakin kecil, sesuai hukum mekanika. Selanjutnya amplitudo sinyal yang bersesuaian untuk masing-masing gambar adalah sama, hal ini karena beban yang dialami oleh sistem sensor juga sama, yaitu berat kendaraan dan pengendaranya. Sedangkan periode masing-masing sinyal untuk naik-turun (charge-discharge) dipengaruhi oleh kecepatan kendaraan. Semakin cepat kendaraan, semakin kecil waktu yang diperlukan untuk charge-discharge. Sifat ini sangat menguntungkan untuk pengukuran-pengukuran beban dinamik (dynamic load measurements).

Dari hasil eksperimen yang telah dilakukan di atas, maka dapat dikatakan bahwa material film PVDF sangat baik untuk pengukuran beban dinamik (dynamic load measurement), sehingga dapat digunakan sebagai traffic load sensor.Eksperimen aplikasi di jalan raya (kondisi yang sesungguhnya) perlu dilakukan untuk mengetahui desain mekanik-elektrik yang paling optimal.

Implementasi Sensor

Implementasi Sensor Piezoelectric ini yaitu dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan pengukuran beban-beban mekanis dan dinamis, mulai dari bidang structural engineering, hydrodynamics exsperiment, mechanical engineering, ataupun sport engineering.

Selain itu dengan menggunakan bahan sensor piezoelectric atau tipe sensor yang lain maka implementasinya juga bias bermacam-macam, contohnya sensor ini biasanya digunakan sebagai alat pendeteksi kadar gula dalam darah, mendeteksi jantung, dan lain-lain. Pemillihan alat ini sesuai dengan karakteristik dan keperluan masing-masing/fungsi masing-masing alat yang dibutuhkan.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *