Sensor Getar Sederhana

[Makalah ini disusun oleh: Yudistira Virgus, Yulius S. Gunawan, Widianta Gomulya, dan Satrio Gani (Anggota Generasi "Engkong" 102FM)]
Sumber : http://102fm-itb.org/2008/05/04/sensor-getar-berbasis-interferensi-cahaya/

Benda selalu bergerak dengan amplitudo dan frekuensi yang berubah-ubah tergantung dari sumbernya. Dari kenyataan ini, timbul kenginan untuk membuat suatu alat yang dapat mendeteksi getaran/gerakan ini. Namun biasanya, getaran ini sangat kecil amplitudonya sehingga tidak terdeteksi oleh manusia. Oleh karena itu, harus digunakan alat yang memiliki sensitivitas tinggi. Terinsipirasi dari percobaan interferometer yang memiliki sensitivitas tinggi, dibuatlah suatu sensor getaran yang memanfaatkan sifat interferensi gelombang elektromagnetik (cahaya) yang digunakan dalam percobaan tersebut. Komponen penting penyusun sensor tersebut adalah sumber laser, photransistor dan catu daya.

KOMPONEN ELEKTRONIK DALAM RANGKAIAN
» Phototransistor
Phototransistor biasa disebut juga photoduodiode yang merupakan komponen semikonduktor yang sensitif terhadap cahaya dari p-n photodiode. Biasanya phototransistor dirangkai dalam konfigurasi common-emitter dengan basis tidak disambungkan dan radiasi cahaya dikonsentrasikan pada daerah sekitar collector-junction. Cara kerja komponen ini dapat dimengerti dengan collector-junction di reverse-bias. Phototransistor cukup peka terhadap perubahan intensitas cahaya yang masuk ke dalamnya. Dengan adanya perubahan intensitas cahaya yang masuk ke phototransistor, maka akan terjadi perubahan resistansi.
» Catu Daya
Catu daya adalah suatu rangkaian sumber tegangan yang digunakan untuk menghasilkan tegangan DC dari masukan berupa tegangan AC. Rangkaian catu daya tersusuna atas transformator, dioda bridge penyearah, kapasitor, dan dioda Zener.

Pada transformator, tegangan AC masukan dapat diturunkan atau dinaikkan dengan cara mengatur jumlah lilitan kumparan, sesuai dengan persamaan

Hasil tegangan yang telah diubah oleh transfomator kemudian masuk dalam rangkaian dioda bridge penyearah:

Saat tegangan di A lebih besar daripada tegangan di C, maka arus akan mengalir dari A ke C. Arus tidak dapat mengalir lewat dioda AD, sehingga akan mengalir melalui dioda AB menuju titik B dan akhirnya menuju hambatan. Arus dari hambatan akan kembali ke titik D. Di sini arus tidak akan melalui dioda AD sebab tegangan A lebih tinggi daripada C, sehingga arus akan mengalir pada dioda CD. Demikian pula sebaliknya, jika tegangan C lebih besar daripada A, maka arus akan mengalir melalui dioda BC menuju titik B dan akan kembali pada titik D. Melalui dioda AD, arus akan ke titik A. Dari sini tampak bahwa arus keluaran akan selalu dari titik B dan menuju titik D, sehingga rangkaian ini merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh.
Kapasitor C dirangkai secara pararel dengan hambatan. Fungsi kapasitor dalam rangkaian ini adalah sebagai perata arus, sehingga arus keluaran cukup konstan, tidak berupa pulsa-pulsa arus. Dioda Zener digunakan dalam rangkaian dengan fungsi untuk menjaga tegangan keluaran agar selalu konstan untuk nilai arus berapapun. Hal ini diperlukan agar hasil keluaran tetap sehingga tidak merusak alat.
TINJAUAN TEORETIK
Solusi persamaan gelombang secara umum dapat dinyatakan

dengan

dan

Bila dua buah gelombang bertemu, maka akan terjadi interferensi antara dua buah gelombang tersebut sehingga dapat dianggap sebagai sebuah gelombang baru dengan persamaan

Bila arah rambat kedua gelombang tersebut saling berlawanan dan frekuensi dari gelombangnya sama, maka dapat tercipta suatu gelombang berdiri, yaitu gelombang dengan simpul dan perut gelombang pada titik-titik tertentu yang bergantung pada jaraknya saja.
Dalam sensor getaran ini, digunakan perpaduan gelombang dengan cara pemantulan. Dengan demikian, amplitudo, frekuensi sudut, dan bilangan gelombang kedua gelombang sama, hanya arah rambatnya saja yang berbeda. Untuk setiap titik pada lintasan cahaya akan terjadi interferensi gelombang antara gelombang datang dan gelombang pantul. Sinar datang memiliki solusi persamaan gelombang

Pada saat pemantulan, terjadi pembalikan fasa gelombang, sehingga sinar pantul memiliki persamaan gelombang

Dengan penjumlahan 2 gelombang:

sehingga

dengan L adalah jarak sumber dengan ujung pantulan dan x jarak titik dari ujung pantulan. Pada sensor getaran yang akan dibuat, x adalah jarak sensor dengan cermin dan L adalah jarak laser dengan cermin.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan alat utama yang digunakan dalam pembuatan sensor getaran ini adalah laser, photodiode, dan juga cermin. Awal percobaan hanya ditargetkan agar sensor dapat mendeteksi getaran dengan hasil keluaran berupa suara, namun ke depannya sensor ini dapat dikembangkan agar dapat mengambil data dan menghitung frekuensi getaran. Data yang diperoleh merupakan suara dari (speaker), sedangkan untuk akuisi data mungkin bisa menggunakan Matlab atau program simulasi lainnya, tetapi ini masih belum dicoba lebih lanjut.

HASIL PERCOBAAN
Salah satu hasil percobaan pengujian sensor yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar berikut. Keluaran dari speaker dicitrakan dengan menggunakan perangkat lunak cool edit pro.

ANALISIS
Pada sensor getaran yang telah dibuat, prinsip interferensi cahaya diterapkan ketika cahaya ditangkap oleh phototransistor. Sinar laser ditembakkan sedemikian rupa sehingga sebagian sinar mengenai phototransistor, dan sebagian sinar diteruskan. Sinar yang diteruskan tersebut dipantulkan oleh cermin (yang akan bergetar oleh suatu faktor eksternal), dan hasil pantulannya akan ditangkap kembali oleh phototransistor, sehingga pada phototransistor akan muncul pola gelap terang.
Bila ada getaran yang terjadi, maka jarak cermin terhadap phototransistor akan berubah, dan pola gelap terang akan tergeser sehingga phototransistor dapat menangkap perubahan tersebut. Ini berarti intensitas yang diterima oleh phototransistor jadi berubah dan demikian pula tegangan pada speaker, sehingga akan terdeteksi getaran yang keluarannya berupa bunyi.
Pada percobaan awal, sumber tegangan untuk laser tidak menggunakan baterai tetapi digunakan catu daya. Akan tetapi, transformator yang digunakan memberikan sinyal tegangan yang memiliki frekuensi 50 Hz sehingga memberikan derau (noise) pada alat ini dan muncul pada speaker. Rangkaian awal dari percobaan ini adalah seperti gambar berikut.

Oleh karena adanya noise ini, maka rancangannya diubah, yaitu dengan menggunakan sumber tegangan AC menjadi DC secara langsung sehingga noise bisa teratasi.

Sensor getaran yang dibuat hanya akan mendeteksi getaran cermin dalam arah satu dimensi saja yaitu arah yang sejajar dengan sinar datang dan sinar pantul laser. Perubahan dalam arah tegak lurus sinar datang tidak akan mempengaruhi jarak antara cermin dengan laser dan phototransistor. Dengan kata lain itu tidak mengubah pola gelap terang yang terjadi. Kerasnya suara pada speaker dipengaruhi oleh kecepatan dari gerakan cermin sehingga pola gelap terang juga berubah dengan cepat. Hal ini diakibatkan oleh kerasnya suara speaker bergantung pada laju perubahan tegangan terhadap waktu. Jadi, semakin cepat laju perubahan ini (laju cermin), maka akan semakin keras suaranya.
RINGKASAN

• Sensor getaran yang telah dibuat ternyata memiliki sensitivitas tinggi karena dapat mendeteksi gerakan/getaran yang sangat kecil. Oleh karena sensitivitas yang tinggi ini, diputuskan agar sensor tidak menggunakan sumber tegangan AC karena dapat menimbulkan noise berfrekuensi 50 hertz.
• Sensor ini harus menggunakan laser yang memiliki koherensi tinggi karena dibutuhkan pola gelap terang (bukan pola terang yang memiliki intensitas berbeda-beda).
• Sensor dapat mendeteksi getaran pada arah yang sejajar dengan sinar laser.

BAHAN BACAAN

• P. Horowitz, 1980, The Art of Electronics: 2^nd edition (London: Cambridge University Press).
• K. Krane, 1996, Modern Physics: 2^nd edition(New York: John Wiley and Sons, Canada).
• Millman dan Halkias, 1964, Integrated Electronics, (Mc Graw Hill, Tokyo).
• H.J. Pain, 1995, The Physics of Vibrations and Waves, 4^th edition (New York: John Wiley & Sons).
• M. Sayer dan A. Mansingh, 2000, Measurement, Instrumentation and Experiment Design in Physics and Engineering (Prentice Hall, India).