Sensor dan Transduser
Rangkaian elektronik sederhana yang berdiri sendiri dapat dibuat untuk menyalakan lampu berulang kali atau memainkan not musik.
Tetapi agar rangkaian atau sistem elektronik dapat melakukan tugas atau fungsi yang berguna, ia harus dapat berkomunikasi dengan "dunia nyata" apakah ini dengan membaca sinyal input dari sakelar "ON/OFF" atau dengan mengaktifkan beberapa bentuk perangkat output untuk menerangi satu cahaya.
Dengan kata lain, Sistem atau Rangkaian Elektronik harus mampu atau sanggup "melakukan" sesuatu dan Sensor dan Transduser adalah komponen yang sempurna untuk melakukan ini.
Kata "Transduser" adalah istilah kolektif yang digunakan untuk kedua Sensor yang dapat digunakan untuk merasakan berbagai bentuk energi yang berbeda seperti gerakan, sinyal listrik, energi radiasi, energi panas atau magnetis, dll, dan Aktuator yang dapat digunakan untuk beralih tegangan atau arus.
Ada banyak jenis sensor dan transduser, baik analog maupun digital dan input dan output tersedia untuk dipilih. Jenis transduser input atau output yang digunakan, sangat tergantung pada jenis sinyal atau proses yang "Sensed" atau "Controlled" tetapi kita dapat mendefinisikan sensor dan transduser sebagai perangkat yang mengubah satu kuantitas fisik menjadi yang lain.
Perangkat yang melakukan fungsi "Input" umumnya disebut Sensor karena mereka "merasakan" perubahan fisik dalam beberapa karakteristik yang berubah sebagai respons terhadap beberapa eksitasi, misalnya panas atau gaya dan menyamarkannya menjadi sinyal listrik.
Perangkat yang melakukan fungsi "Output" umumnya disebut Aktuator dan digunakan untuk mengontrol beberapa perangkat eksternal, misalnya gerakan atau suara.
Transduser listrik digunakan untuk mengubah energi dari satu jenis menjadi energi dari jenis lain, jadi misalnya, mikrofon (perangkat input) mengubah gelombang suara menjadi sinyal listrik untuk amplifier untuk menguatkan (suatu proses), dan pengeras suara (perangkat output) mengkonversi sinyal-sinyal listrik ini kembali ke gelombang suara dan contoh dari sistem Input/Output (I/O) sederhana ini diberikan di bawah ini.
Ada banyak jenis sensor dan transduser yang tersedia di pasar, dan pilihan mana yang akan digunakan sangat tergantung pada kuantitas yang diukur atau dikendalikan, dengan jenis yang lebih umum diberikan dalam tabel di bawah ini:
Transduser atau sensor tipe input, menghasilkan respons tegangan atau output sinyal yang sebanding dengan perubahan kuantitas yang diukur (stimulus).
Jenis atau jumlah sinyal output tergantung pada jenis sensor yang digunakan. Namun secara umum, semua jenis sensor dapat digolongkan sebagai dua jenis, baik Sensor Aktif atau Sensor Pasif.
Secara umum, Sensor Aktif memerlukan catu daya eksternal untuk beroperasi, yang disebut sinyal eksitasi yang digunakan oleh sensor untuk menghasilkan sinyal output.
Sensor aktif adalah perangkat yang menghasilkan sendiri karena sifatnya sendiri berubah sebagai respons terhadap efek eksternal yang menghasilkan, misalnya tegangan output 1 hingga 10v DC atau arus output seperti 4 hingga 20mA DC. Sensor aktif juga dapat menghasilkan penguatan sinyal.
Contoh yang baik dari sensor aktif adalah sensor LVDT atau pengukur regangan. Pengukur regangan adalah jaringan jembatan resistif peka tekanan yang bias eksternal (sinyal eksitasi) sedemikian rupa sehingga menghasilkan tegangan output sebanding dengan jumlah gaya dan/atau regangan yang diterapkan pada sensor.
Tidak seperti sensor aktif, Sensor Pasif tidak memerlukan sumber daya tambahan atau tegangan eksitasi. Sebaliknya sensor pasif menghasilkan sinyal output sebagai respons terhadap beberapa stimulus eksternal.
Misalnya, termokopel yang menghasilkan output tegangan sendiri ketika terkena panas. Kemudian sensor pasif adalah sensor langsung yang mengubah sifat fisiknya, seperti Resistansi, Kapasitansi atau Induktansi dll.
Tetapi seperti halnya sensor analog, Sensor Digital menghasilkan output diskrit yang mewakili angka atau digit biner seperti level logika "0" atau level logika "1".
Sebagai contoh, suhu cairan dapat diukur menggunakan termometer atau termokopel yang secara terus-menerus merespons perubahan suhu saat cairan dipanaskan atau didinginkan.
Sensor analog cenderung menghasilkan sinyal output yang berubah dengan lancar dan terus menerus dari waktu ke waktu. Sinyal-sinyal ini cenderung sangat kecil nilainya dari beberapa mico-volts (uV) ke beberapa milli-volts (mV), sehingga diperlukan beberapa bentuk penguatan/amplifikasi.
Kemudian rangkaian yang mengukur sinyal analog biasanya memiliki respons yang lambat dan/atau akurasi rendah. Juga sinyal analog dapat dengan mudah diubah menjadi sinyal tipe digital untuk digunakan dalam sistem mikrokontroler dengan menggunakan konverter analog-ke-digital, atau ADC.
Ini berarti bahwa sinyal digital hanya menghasilkan nilai diskrit (non-kontinu) yang dapat dikeluarkan sebagai "bit" tunggal, (transmisi serial) atau dengan menggabungkan bit untuk menghasilkan output "byte" tunggal (transmisi paralel).
Dalam contoh sederhana kami di atas, kecepatan poros berputar diukur dengan menggunakan sensor LED/Opto-detektor digital. Disk yang dipasang pada poros yang berputar (misalnya, dari roda motor atau robot), memiliki sejumlah slot transparan dalam desainnya.
Saat disk berputar dengan kecepatan poros, setiap slot melewati sensor pada gilirannya menghasilkan pulsa output yang mewakili tingkat logika “1” atau logika “0”.
Pulsa ini dikirim ke register penghitung dan akhirnya ke tampilan output untuk menunjukkan kecepatan atau putaran poros. Dengan menambah jumlah slot atau "jendela" dalam disk, lebih banyak pulsa output dapat dihasilkan untuk setiap putaran poros.
Keuntungan atau kelebihan dari hal ini adalah resolusi dan akurasi yang lebih besar dicapai karena fraksi revolusi dapat dideteksi. Kemudian jenis pengaturan sensor ini juga dapat digunakan untuk kontrol posisi dengan salah satu slot disk yang mewakili posisi referensi.
Dibandingkan dengan sinyal analog, sinyal atau kuantitas digital memiliki akurasi yang sangat tinggi dan dapat diukur dan "disampel" pada kecepatan clock yang sangat tinggi. Keakuratan sinyal digital sebanding dengan jumlah bit yang digunakan untuk mewakili kuantitas yang diukur.
Tetapi agar rangkaian atau sistem elektronik dapat melakukan tugas atau fungsi yang berguna, ia harus dapat berkomunikasi dengan "dunia nyata" apakah ini dengan membaca sinyal input dari sakelar "ON/OFF" atau dengan mengaktifkan beberapa bentuk perangkat output untuk menerangi satu cahaya.
Dengan kata lain, Sistem atau Rangkaian Elektronik harus mampu atau sanggup "melakukan" sesuatu dan Sensor dan Transduser adalah komponen yang sempurna untuk melakukan ini.
Kata "Transduser" adalah istilah kolektif yang digunakan untuk kedua Sensor yang dapat digunakan untuk merasakan berbagai bentuk energi yang berbeda seperti gerakan, sinyal listrik, energi radiasi, energi panas atau magnetis, dll, dan Aktuator yang dapat digunakan untuk beralih tegangan atau arus.
Ada banyak jenis sensor dan transduser, baik analog maupun digital dan input dan output tersedia untuk dipilih. Jenis transduser input atau output yang digunakan, sangat tergantung pada jenis sinyal atau proses yang "Sensed" atau "Controlled" tetapi kita dapat mendefinisikan sensor dan transduser sebagai perangkat yang mengubah satu kuantitas fisik menjadi yang lain.
Perangkat yang melakukan fungsi "Input" umumnya disebut Sensor karena mereka "merasakan" perubahan fisik dalam beberapa karakteristik yang berubah sebagai respons terhadap beberapa eksitasi, misalnya panas atau gaya dan menyamarkannya menjadi sinyal listrik.
Perangkat yang melakukan fungsi "Output" umumnya disebut Aktuator dan digunakan untuk mengontrol beberapa perangkat eksternal, misalnya gerakan atau suara.
Transduser listrik digunakan untuk mengubah energi dari satu jenis menjadi energi dari jenis lain, jadi misalnya, mikrofon (perangkat input) mengubah gelombang suara menjadi sinyal listrik untuk amplifier untuk menguatkan (suatu proses), dan pengeras suara (perangkat output) mengkonversi sinyal-sinyal listrik ini kembali ke gelombang suara dan contoh dari sistem Input/Output (I/O) sederhana ini diberikan di bawah ini.
Sistem Input/Output Sederhana menggunakan Transduser Suara
Ada banyak jenis sensor dan transduser yang tersedia di pasar, dan pilihan mana yang akan digunakan sangat tergantung pada kuantitas yang diukur atau dikendalikan, dengan jenis yang lebih umum diberikan dalam tabel di bawah ini:
Tabel Sensor dan Transduser Umum
Kuantitas yang Diukur
|
Perangkat Input
(Sensor)
|
Perangkat Output
(Aktuator)
|
Tingkat Cahaya
|
Light Dependent Resistor (LDR)
Photo-diode
Photo-transistor
Solar Cell
|
Cahaya & Lampu
LED & Display
Serat Optik
|
Suhu
|
Termokopel
Termistor
Termostat
Detektor Suhu Resistif
|
Pemanas
Pendingin
|
Kekuatan
Atau
Tekanan
|
Alat Pengukur Tekanan
Perpindahan Tekanan
Beban Sel/Cell
|
Angkat & Jack
Elektromagnet
Getaran
|
Posisi
|
Potensiometer
Encoder
Reflektif / Slot Opto-switch
LVDT
|
Motor
Solenoid
Panel Meter
|
Speed
|
Tacho-generator
Reflektif / Slot Opto-switch
Sensor Efek Doppler
|
AC dan Motor DC
Stepper Motor
Rem
|
Suara
|
Mikrofon Karbon
Kristal Piezoelektrik
|
Bell
Alarm
speaker
|
Jenis atau jumlah sinyal output tergantung pada jenis sensor yang digunakan. Namun secara umum, semua jenis sensor dapat digolongkan sebagai dua jenis, baik Sensor Aktif atau Sensor Pasif.
Secara umum, Sensor Aktif memerlukan catu daya eksternal untuk beroperasi, yang disebut sinyal eksitasi yang digunakan oleh sensor untuk menghasilkan sinyal output.
Sensor aktif adalah perangkat yang menghasilkan sendiri karena sifatnya sendiri berubah sebagai respons terhadap efek eksternal yang menghasilkan, misalnya tegangan output 1 hingga 10v DC atau arus output seperti 4 hingga 20mA DC. Sensor aktif juga dapat menghasilkan penguatan sinyal.
Contoh yang baik dari sensor aktif adalah sensor LVDT atau pengukur regangan. Pengukur regangan adalah jaringan jembatan resistif peka tekanan yang bias eksternal (sinyal eksitasi) sedemikian rupa sehingga menghasilkan tegangan output sebanding dengan jumlah gaya dan/atau regangan yang diterapkan pada sensor.
Tidak seperti sensor aktif, Sensor Pasif tidak memerlukan sumber daya tambahan atau tegangan eksitasi. Sebaliknya sensor pasif menghasilkan sinyal output sebagai respons terhadap beberapa stimulus eksternal.
Misalnya, termokopel yang menghasilkan output tegangan sendiri ketika terkena panas. Kemudian sensor pasif adalah sensor langsung yang mengubah sifat fisiknya, seperti Resistansi, Kapasitansi atau Induktansi dll.
Tetapi seperti halnya sensor analog, Sensor Digital menghasilkan output diskrit yang mewakili angka atau digit biner seperti level logika "0" atau level logika "1".
Sensor Analog dan Digital
Sensor Analog
Sensor Analog menghasilkan sinyal atau tegangan output kontinu yang umumnya sebanding dengan kuantitas yang diukur. Kuantitas fisik seperti Temperatur, Kecepatan, Tekanan, Perpindahan, Ketegangan dll. Semuanya kuantitas analog karena cenderung kontinu di alam.Sebagai contoh, suhu cairan dapat diukur menggunakan termometer atau termokopel yang secara terus-menerus merespons perubahan suhu saat cairan dipanaskan atau didinginkan.
Termokopel digunakan untuk menghasilkan Sinyal Analog
Sensor analog cenderung menghasilkan sinyal output yang berubah dengan lancar dan terus menerus dari waktu ke waktu. Sinyal-sinyal ini cenderung sangat kecil nilainya dari beberapa mico-volts (uV) ke beberapa milli-volts (mV), sehingga diperlukan beberapa bentuk penguatan/amplifikasi.
Kemudian rangkaian yang mengukur sinyal analog biasanya memiliki respons yang lambat dan/atau akurasi rendah. Juga sinyal analog dapat dengan mudah diubah menjadi sinyal tipe digital untuk digunakan dalam sistem mikrokontroler dengan menggunakan konverter analog-ke-digital, atau ADC.
Sensor Digital
Seperti namanya, Sensor Digital menghasilkan sinyal output digital diskrit atau tegangan yang merupakan representasi digital dari kuantitas yang diukur. Sensor digital menghasilkan sinyal output Biner dalam bentuk logika "1" atau logika "0", ("ON" atau "OFF").Ini berarti bahwa sinyal digital hanya menghasilkan nilai diskrit (non-kontinu) yang dapat dikeluarkan sebagai "bit" tunggal, (transmisi serial) atau dengan menggabungkan bit untuk menghasilkan output "byte" tunggal (transmisi paralel).
Sensor Cahaya digunakan untuk menghasilkan Sinyal Digital
Dalam contoh sederhana kami di atas, kecepatan poros berputar diukur dengan menggunakan sensor LED/Opto-detektor digital. Disk yang dipasang pada poros yang berputar (misalnya, dari roda motor atau robot), memiliki sejumlah slot transparan dalam desainnya.
Saat disk berputar dengan kecepatan poros, setiap slot melewati sensor pada gilirannya menghasilkan pulsa output yang mewakili tingkat logika “1” atau logika “0”.
Pulsa ini dikirim ke register penghitung dan akhirnya ke tampilan output untuk menunjukkan kecepatan atau putaran poros. Dengan menambah jumlah slot atau "jendela" dalam disk, lebih banyak pulsa output dapat dihasilkan untuk setiap putaran poros.
Keuntungan atau kelebihan dari hal ini adalah resolusi dan akurasi yang lebih besar dicapai karena fraksi revolusi dapat dideteksi. Kemudian jenis pengaturan sensor ini juga dapat digunakan untuk kontrol posisi dengan salah satu slot disk yang mewakili posisi referensi.
Dibandingkan dengan sinyal analog, sinyal atau kuantitas digital memiliki akurasi yang sangat tinggi dan dapat diukur dan "disampel" pada kecepatan clock yang sangat tinggi. Keakuratan sinyal digital sebanding dengan jumlah bit yang digunakan untuk mewakili kuantitas yang diukur.
Misalnya, menggunakan prosesor 8 bit, akan menghasilkan akurasi 0.390% (1 bagian dalam 256). Saat menggunakan prosesor 16 bit memberikan akurasi 0.0015%, (1 bagian dalam 65.536) atau 260 kali lebih akurat. Keakuratan ini dapat dipertahankan karena jumlah digital dimanipulasi dan diproses dengan sangat cepat, jutaan kali lebih cepat daripada sinyal analog.
Dalam kebanyakan kasus, sensor dan lebih khusus sensor analog umumnya memerlukan catu daya eksternal dan beberapa bentuk amplifikasi tambahan atau penyaringan sinyal untuk menghasilkan sinyal listrik yang cocok yang mampu diukur atau digunakan.
Salah satu cara yang sangat baik untuk mencapai amplifikasi dan filtering dalam rangkaian tunggal adalah dengan menggunakan Penguat Operasional (Op-amp) seperti yang terlihat sebelumnya.
Pengondisian Sinyal Sensor
Seperti yang kita lihat dalam tutorial Penguat Operasional (Op-amp). Op-amp dapat digunakan untuk memberikan penguatan sinyal ketika terhubung baik dalam konfigurasi Op-amp inverting atau Op-amp non-inverting.
Tegangan sinyal analog yang sangat kecil yang dihasilkan oleh suatu sensor seperti beberapa mili-volt atau bahkan pico-volt dapat diperkuat berkali-kali oleh rangkaian Op-amp sederhana untuk menghasilkan sinyal tegangan yang jauh lebih besar, misalnya 5v atau 5mA yang kemudian dapat digunakan sebagai sinyal input ke mikroprosesor atau sistem berbasis analog-ke-digital.
Oleh karena itu, untuk memberikan sinyal yang berguna, sinyal output sensor harus diperkuat dengan amplifier yang memiliki gain tegangan hingga 10.000 dan gain arus hingga 1.000.000 dengan amplifikasi sinyal menjadi linier dengan sinyal output menjadi reproduksi tepat dari input, hanya berubah dalam amplitudo.
Kemudian penguatan atau amplifikasi adalah bagian dari pengkondisian sinyal. Jadi ketika menggunakan sensor analog, umumnya beberapa bentuk amplifikasi (Gain), pencocokan impedansi, isolasi antara input dan output atau mungkin filtering (pemilihan frekuensi) mungkin diperlukan sebelum sinyal dapat digunakan dan ini mudah dilakukan oleh Penguat Operasional (Op-amp).
Juga, ketika mengukur perubahan fisik yang sangat kecil, sinyal output sensor dapat menjadi "terkontaminasi" dengan sinyal atau tegangan yang tidak diinginkan yang mencegah sinyal aktual yang diperlukan diukur secara benar.
Sinyal yang tidak diinginkan ini disebut " Noise/Kebisingan ". Noise atau Gangguan ini dapat sangat dikurangi atau bahkan dihilangkan dengan menggunakan pengkondisian sinyal atau teknik penyaringan seperti yang kita bahas dalam tutorial Filter.
Dengan menggunakan Low Pass filter, atau High Pass filter atau bahkan Band Pass filter, “bandwidth” dari noise dapat dikurangi sehingga hanya meninggalkan sinyal output yang diperlukan. Misalnya, banyak jenis input dari sakelar, keyboard, atau kontrol manual tidak mampu mengubah keadaan dengan cepat sehingga low-pass filter dapat digunakan.
Ketika interferensi berada pada frekuensi tertentu, misalnya frekuensi listrik, band pass filter atau filter Notch dapat digunakan untuk menghasilkan filter selektif frekuensi.
Filter Op-amp yang khas
Jika beberapa noise acak masih ada setelah penyaringan, mungkin perlu untuk mengambil beberapa sampel dan kemudian rata-rata untuk memberikan nilai akhir sehingga meningkatkan rasio sinyal-ke-noise.
Bagaimanapun juga, baik amplifikasi dan filtering memainkan peran penting dalam menghubungkan kedua sensor dan transduser ke sistem berbasis mikroprosesor dan elektronik dalam kondisi "dunia nyata".
Dalam tutorial berikutnya tentang Sensor, kita akan melihat Sensor Posisi yang mengukur posisi dan/atau perpindahan benda fisik yang berarti pergerakan dari satu posisi ke posisi lain untuk jarak atau sudut tertentu.