Tanggapan Waktu Sensor

Sensor & Transduser
Sensor Characteristics
- Sensor Transfer Function
- Full Scale Input and Output
- Akurasi
- Sensitivitas dan Linieritas
- Tanggapan Waktu Sensor
- Signifikansi dan Statistik





 

 

Reference: Sensor & Transducer Handbooks

 

 

 

Sebelumnya << Download Artikel (doc) >> Selanjutnya

 

Soal dan Penyelesaian 3

Rangkaian Pengkondisi Sinyal 2

 

1. Suatu pengukuran suhu dalam rentang antara 20oC sampai dengan 250oC menggunakan sensor yang mempunyai sensitivitas sebesar S=10mV/oC. Keluaran sensor akan diubah menjadi data digital menggunakan ADC 8 bit dengan tegangan referensi sebesar 5V.

a). Rancanglah rangkaian pengkondisi sinyal supaya diperoleh resolusi pengukuran suhu yang terbaik, dan berapa resolusi tersebut?
b). Tentukan fungsi alih rangkaian pengkondisi sinyal supaya diperoleh resolusi pengukuran suhu sebesar 1oC.
c). Berhubungan dengan soal (b), berapa nilai keluaran ADC dalam desimal bila suhu yang diukur bernilai 250oC, 100oC, dan 20oC?

Penyelesaian:
a). Sistem tersebut dapat digambarkan dalam bentuk blog diagram sebagai berikut:

Tegangan keluaran sensor pada nilai-nilai suhu minimum dan maksimum:

 Untuk ADC dengan n = 8 bit dan tegangan referensi VR= 5V, membutuhkan tegangan masukan dalam rentang antara:

 

 

 

 

Resolusi pengukuran suhu terbaik dapat diperoleh bila ADC menerima masukan tegangan dalam rentang tersebut. Untuk itu diperlukan pengkonversian rentang tegangan keluaran sensor sedemikian rupa sehingga sesuai dengan rentang tegangan yang diperlukan oleh ADC. Pengkonversian rentang tegangan ini memerlukan suatu rangkaian pengkondisi sinyal. Perancangan rangkaian pengkondisi sinyal yang paling mudah adalah dengan menentukan fungsi alihnya terlebih dahulu. Fungsi alih rangkaian pengkondisi sinyal ini dapat dinyatakan sebagai sebuah persamaan linier sebagai berikut:

Implementasi Persamaan (3) ke dalam rangkaian elektronik memerlukan:

  • Sebuah penguat dengan penguatan sebesar 2,165 (untuk suku pertama ruas kanan Persamaan (3) )
  • Sebuah tegangan konstan sebesar 0,433 V (untuk suku kedua)
  • Sebuah penguat penjumlah untuk menjumlahkan suku pertama dan suku kedua.

Rangkaian yang diperlukan adalah sebagai berikut:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jika dibandingkan, alternatif 1 mempunyai keuntungan dibanding alternatif 2 karena nilai keluaran ADC dalam basis desimal selalu sama dengan nilai suhu yang diukur dalam rentang antara 0 sampai dengan 255oC. Hal ini berarti tidak memerlukan lagi pengkonversian dari nilai keluaran ADC ke nilai suhu yang diukur karena nilainya (yaitu angkanya dalam desimal) sudah sama.

Sebelumnya <<  Download Artikel (doc)

Full Scale Input and Output

Sensor & Transduser
Sensor Characteristics
- Sensor Transfer Function
- Full Scale Input and Output
- Akurasi

Span (Full-Scale Input)

A dynamic range of stimuli which may be converted by a sensor is called a span or an input full scale (FS). It represents the highest possible input value that can be applied to the sensor without causing an unacceptably large inaccuracy. For the sensors with a very broad and nonlinear response characteristic, a dynamic range of the input stimuli is often expressed in decibels, which is a logarithmic measure of ratios of either power or force (voltage). It should be emphasized that decibels do not measure absolute values, but a ratio of values only. A decibel scale represents signal magnitudes by much smaller numbers, which, in many cases, is far more convenient.
Being a nonlinear scale, it may represent low-level signals with high resolution while compressing the high-level numbers. In other words, the logarithmic scale for small objects works as a microscope, and for the large objects, it works as a telescope. By definition, decibels are equal to 10 times the log of the ratio of powers:

1 dB = 10 log ( P / P1)         (8)

In a similar manner, decibels are equal to 20 times the log of the force, current, or voltage:

1 dB = 20 log ( S2 / S1 )         (9)

Full-Scale Output

Full-scale output (FSO) is the algebraic difference between the electrical output signals measured with maximum input stimulus and the lowest input stimulus applied. This must include all deviations from the ideal transfer function. For instance, the FSO output in figure below is represented by SFS.

 

Books About Sensor:

Nanosensors: Physical, Chemical, and Biological (Series in Sensors)   Micromachined Thin-Film Sensors for SOI-CMOS Co-Integration  Luminescence Applied in Sensor Science (Topics in Current Chemistry)  Nanotechnologies for Future Mobile Devices   Practical MEMS: Design of microsystems, accelerometers, gyroscopes, RF MEMS, optical MEMS, and microfluidic systems  Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea

 

Sensor Transfer Fuction

Sensor & Transduser

Sensor Characteristics

An ideal or theoretical output–stimulus relationship exists for every sensor. If the sensor is ideally designed and fabricated with ideal materials by ideal workers using ideal tools, the output of such a sensor would always represent the true value of the stimulus. The ideal function may be stated in the form of a table of values, a graph, or a mathematical equation. An ideal (theoretical) output–stimulus relationship is characterized by the so-called transfer function. This function establishes dependence between the electrical signal S produced by the sensor and the stimulus s :

     S = f(s).

That function may be a simple linear connection or a nonlinear dependence, (e.g., logarithmic, exponential, or power function). In many cases, the relationship is unidimensional (i.e., the output versus one input stimulus). A unidimensional linear relationship is represented by the equation:

     S = a + bs              (1)

where a is the intercept (i.e., the output signal at zero input signal) and b is the slope, which is sometimes called sensitivity. S is one of the characteristics of the output electric signal used by the data acquisition devices as the sensor’s output. It may be amplitude, frequency, or phase, depending on the sensor properties.

Logarithmic function:

S = a + b ln s        (2)

Exponential function:

S = a eks        (3)

Power function:

S = a0 + a1sk       (4)

where k is a constant number.

sensor may have such a transfer function that none of the above approximations fits sufficiently well. In that case, a higher-order polynomial approximation is often employed. For a nonlinear transfer function, the sensitivity b is not a fixed number as for the linear relationship [Eq. (1)]. At any particular input value, s0, it can be defined as:

      b = dS(s0/ dS        (5)
In many cases, a nonlinear sensor may be considered linear over a limited range. Over the extended range, a nonlinear transfer function may be modeled by several straight lines. This is called a piecewise approximation. To determine whether a function can be represented by a linear model, the incremental variables are introduced for the input while observing the output.Adifference between the actual response and a liner model is compared with the specified accuracy limits.

A transfer function may have more than one dimension when the sensor’s output is influenced by more than one input stimuli. An example is the transfer function of a thermal radiation (infrared) sensor. The function connects two temperatures (Tb, the absolute temperature of an object of measurement, and Ts , the absolute temperature of the sensor’s surface) and the output voltage V :

      V = G ( Tb4 - Ts4 )          (6)
where G is a constant. Clearly, the relationship between the object’s temperature and the output voltage (transfer function) is not only nonlinear (the fourth-order parabola) but also depends on the sensor’s surface temperature. To determine the sensitivity of the sensor with respect to the object’s temperature, a partial derivative will be calculated as:

       b = ∂V / ∂Tb = 4GTb3        (7)

 

Books about sensor:

Sensors and Actuators: Control System Instrumentation   Piezoelectric Transducers for Vibration Control and Damping (Advances in Industrial Control)  Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications  Micro Electro Mechanical Systems, Mems: Technology, Fabrication Processes and Applications (Nanotechnology Science and Technology)   Nanotechnology (AIP-Press)  Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea

TERMINOLOGI DALAM SISTEM PENGUKURAN

 

Sensor & Transduser

Sensor Characteristics

Dalam posting ini Anda dapat memperoleh pengertian mengenai beberapa istilah yang berkaitan dengan karakteristik sistem pengukuran. Anda dapat memperoleh pengertian mengenai transduser, sensor, eror, akurasi, sensitivitas, histerisis, resolusi, dan linieritas. Mari kita kaji istilah-istilah tersebut satu persatu.

 SENSOR DAN TRANSDUSER

Transduser

Transduser (transducer) adalah pengubah bentuk energi, dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya.

Transduser ini dapat dengan mudah Anda temui di sekitar Anda.  Berikut ini adalah beberapa contoh transduser yang sering Anda jumpai dalam kehidupan sehari-hari, yaitu:

- Loudspeaker, mengubah bentuk energi listrik menjadi bentuk energi tekanan (suara)

Loudspeaker

Loudspeaker

- Mikropon, mengubah bentuk energi tekanan menjadi energi listrik

Microphone

Mikropon

- Generator listrik, mengubah energi gerak (mekanik) menjadi energi energi listrik

Electric Generator

Generator Listrik

- Motor listrik, mengubah energi listrik menjadi energi gerak (mekanik)

Electlric Motor

Motor Listrik

- Diafragma, mengubah energi tekanan menjadi gerak (menghasilkan displacement/perpindahan/perubahan posisi)

Diaphragm

Diafragma

- dll.

Sensor

Sensor adalah adalah divais (device) yang menerima sinyal rangsangan (stimulus) dalam bentuk energi bukan listrik (yang merepresentasikan sifat-sifat fisis/kimia) sebagai masukan

dan memberikan tanggapan (response) dalam bentuk sinyal listrik sebagai keluarannya.

Contoh sensor:
- Mikropon (sinyal masukan dalam bentuk suara, sinyal keluaran dalam bentuk listrik)

- Fotodiode (sinyal masukan berupa cahaya, sinyal keluaran berupa arus listrik)

photodiode

Fotodiode

- Termokopel (sinyal masukan berupa panas, sinyal keluaran berupa tegangan listrik)

Thermocouple

Termokopel

- dll.

Jadi sensor ini sebenarnya termasuk transduser yang khusus, yaitu  transduser yang keluarannya selalu berupa sinyal listrik (bisa berupa arus, tegangan, atau resistansi). Kegunaan sensor dalam sistem pengukuran adalah untuk  pengukuran besaran-besaran bukan listrik (besaran fisis atau kimia) dengan menggunakan instrumen elektronik.

Kebalikan dari sensor adalah aktuator (actuator). Aktuator mengubah sinyal listrik menjadi sinyal bukan listrik.

Contoh aktuator:
- Elemen pemanas

Heater Element

Elemen Pemanas

- Motor listrik
- dll.

Pasangan sensor dan aktuator sering kita temui ada dalam satu sistem (misalnya sistem otomasi).  Sensor pada umumnya berada di bagian depan sistem dan aktuator  berada di bagian belakang sistem.

Sensor and Actuator in Automation System

Sensor dan Aktuator dalam Sistem Otomasi

 

Sensor & Transducer Books:

Advanced Materials and Technologies for Micro/Nano-Devices, Sensors and Actuators (NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics) Nanosensors: Physical, Chemical, and Biological (Series in Sensors) Smart Mems And Sensor Systems
Advanced Materials and Technologies for Mic… Nanosensors: Physical, Chemical, and Biolog…
by Vinod Kumar Khanna
Smart Mems And Sensor Systems
by Elena Gaura

 

Free e-book:

Sensors and Transducers (pdf)

Sensors and Transducers (rar)

 

Berikutnya: Sensor Characteristics

Sistem Instrumentasi Elektronika

 

Selamat datang di halaman sistem instrumentasi elektronika. Di sini Anda dapat memperoleh informasi mengenai berbagai macam sensor dan transducer (transducer), rangkaian pengkondisi sinyal, dan informasi lain yang berkaitan dengan sistem instrumentasi elektronika, serta materi perkuliahan untuk berapa pertemuan. Silakan mengunduh (download) materi kuliah berikut:

  1. RPKPS(doc)
  2. Konsep Pengukuran(ppt)
  3. Pengkondisi Sinyal 1(ppt)
  4. Pengkondisi Sinyal 2(ppt)
  5. Pengkondisi Sinyal 3(ppt)

Terima kasih  telah berkunjung dan mengunduh berkas-berkas tersebut, kami nantikan kunjungan Anda berikutnya… :-)