Sensor Piezoelektrik

Abstrak

Sejak ditemukannya efek piezoelektrik pada material Polyvinylidene Fluoride (PVDF) film, aplikasi material ini

sebagai sensor maupun aktuator terus

berkembang. Paper ini merupakan aplikasi material piezoelektrik jenis film PVDF sebagai sensor impact, yaitu sensor yang berfungsi untuk mengukur beban impact benturan benda yang mengenai sensor tersebut. Salah satu aplikasi sensor ini digunakan untuk mengetahui respon benturan pada proses mating pada pengujian bangunan lepas pantai. Dalam disain sensor tersebut lembaran material Piezoelektrik PVDF film sebagai sensing elemen dibentuk melingkar sesuai dengan dimensi permukaan struktur yang diukur. PVDF film tersebut dilapisi dengan material karet dan metal. Ketika sensor ini dikenai beban impact, maka element PVDF film mengeluarkan tegangan listrik yang proporsional dengan beban impact yang mengenainya, tegangan output ini diperkuat oleh rangkaian pengondisi sinyal yang selanjutnya direkam oleh sistem data akuisisi menggunakan program LabView. Untuk mengetahui karakteristik sensor dilakukan proses kalibrasi sensor tersebut baik secara statis maupun dinamis dengan menggunakan loadcell transducer sebagai referensi. Sensor PVDF film ini dapat juga diaplikasikan pada dunia kedokteran untuk mendeteksi tekanan nadi manusia.

PENDAHULUAN Salah satu tahapan pengujian bangunan lepas pantai adalah pengukuran beban impact atau pengujian ketahanan materi terhadap suatu getaran bawah permukaan antara struktur yang saling berhubungan. Untuk maksud tersebut dibutuhkan sensor mekanis yang diharapkan bisa mengukur beban impact. Sensor mekanis berbasis strain gauge saat ini merupakan sensor mekanis yang paling popular untuk pengukuran beban impact yang relatif besar. Akan tetapi pada beberapa kasus, seperti halnya pengujian bangunan lepas pantai ini, sensor mekanis dengan menggunakan strain gauge mengalami beberapa kendala baik dari segi dimensi, berat dan fleksibilitasnya. Untuk tujuan pengujian tersebut maka dirancang sensor lain berbasis material piezoelectrik. Salah satu material piezoelectrik yang dipakai untuk sensor ini adalah polyvinylidene fluoride (PVDF) film. Berdasarkan sifat sifat material tersebut maka sensor mekanis berbasis material Piezoelectrik PVDF film ini sangat baik digunakan untuk pengukuran beban-beban dinamis (Taufiq AS, et al, 2005) sehingga desain sensor jenis ini sangat baik untuk pengukuran beban impact pada proses pengujian bangunan kelautan. Untuk menentukan karakteristik dari sensor piezoelectrik PVDF film tersebut, maka perlu dilakukan proses kalibrasi sensor. Karena sensor piezoelectrik PVDF film ini bersifat kapasitif dengan impedansi output yang tinggi maka diperlukan sebuah rangkaian Charge amplifier sebagai rangkaian pengkondisi sinyal. Pada proses kalibrasi sensor tersebut menggunakan NI_USB DAQ 6008 dan program LABVIEW 2009 sebagai sistem data akuisisinya. Sedangkan beban yang diukur dibandingkan juga dengan sensor mekanis lainnya yaitu loadcell transducer sebagai alat ukur referensi.

BAHAN PIEZOELEKTRIK

Sejak ditemukannya efek-efek piezoelektrik pada bahan PVDF Film oleh Kawai (Kawai H., 1969), material ini telah banyak digunakan dalam bermacam-macam aplikasi, khususnya sebagai sensor dan aktuator (Boleslaw et al, 2001). Suatu bahan piezoelektrik dapat mengubah deformasi mekanik menjadi medan listrik yang setara dan sebaliknya dapat mengubah medan listrik yang dikenakan padanya menjadi deformasi mekanik yang setara (Gautschi, G., 2002). PVDF film 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 maupun PVDF filmnya. Apabila PVDF film terdeformasi secara mekanik, maka partikel penyusunnya menjadi terpolarisasi sehingga menimbulkan konsentrasi muatan listrik pada masingmasing permukaannya. Besarnya konsentrasi muatan listrik yang terbentuk ini dapat dinyatakan dalam dua mode persamaan, yaitu charge mode dan voltage mode (Ehag, 1999). Untuk charge mode berlaku: (i = 1,2, atau 3)

(1)

Dimana ; Q : muatan listrik yang dihasilkan σi : tekanan mekanik pada arah yang relevan d31 : konstata piezoelektric (PVDF Film) A : area aktif dari PVDF film

Sedangkan untuk voltage mode berlaku: Vo = g31σit

(2)

Dimana : Vo : tegangan open loop σi : tekanan mekanik pada arah yang relevan g31 : konstata piezoelektric (film PVDF) t : tebal film PVDF

Gambar dibawah ini menunjukkan sumbu-sumbu elemen piezoelektrik dan cara melekatkan elemen film PVDF pada sebuah struktur.

Gambar 1 : PVDF dan klasifikasi sumbu yang bersesuaian

Karakteristik Bahan Piezoelektrik Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yangterpolarisasi sehingga beberapa bagian molekulbermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapatberubah akibat gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur Kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).

Prinsip Kerja sensor piezoelektrik Sensor ini memiliki cara kerja yang sebanding dengan inputnya atau sebanding dengan seberapa besar sensor ini terdeformasi, cara kerja sensor ini dapat di lihat pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.7 Cara Kerja Sensor Piezoelektrik Semakin besar tekanan atau deformasi yang diterima sensor tersebut, dapat menghasilkan output tegangan yang berubah-ubah, namun sayangnya output sensor ini sangat kecil sehingga sulit untuk dibaca apabila ingin kita jadikan input ke suatu sistem tertentu.

DESAIN SISTEM A. Desain Mekanis Sistem Sensor Desain mekanis sistem sensor ini untuk mengukur beban benturan antara bagian struktur atas dengan struktur bawahnya bangunan lepas pantai dengan berbagai kondisi pengujian. Sensing element dari sensor ini terbuat dari material piezoelectric yaitu PVDF (polivinilydene fluoride) film dengan komposisi material lainnya yaitu sejenis karet dan metal. PVDF film sebagai sensing element dibentuk melingkar dengan diameter 50 mm sesuai dengan dimensi permukaan struktur yang diukur. Untuk mengirimkan signal listrik dari gaya yang terukur dari permukaan film ke alat ukurnya, maka dibuat terminal yang berasal dari metal tape dengan lem conductor yang disambung dengan kabel dengan proses solder. Gambar desain mekanis sistem sensor ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah ini.

Gambar 2 : Desain sensor impact PVDF Film

B. Rangkaian Pengondisi Sinyal Output dari sensor PVDF film adalah muatan listrik yang nilainya dalam orde pico coulomb. Nilai output terlalu kecil untuk umumnya piranti ukur seperti voltmeter atau osciloskop, Sehingga diperlukan suatu pengondisi sinyal yang berfungsi

sebagai

penguat

tegangan

pengukuran.

Pada

penelitian

ini

menggunakan charge mode amplifier dengan salah satu pertimbangan bahwa pada mode ini panjangnya kabel konduktor tidak akan berpengaruh pada sinyal output. Desain lengkap rangkaian pengkondisi sinyal diberikan pada gambar 3.

Rangkaian terdiri atas dua unit yaitu differential charge amplifier dan differential Amplifier (Zheng Chen et al, 2007). Differential charge amplifier sebagai pengubah besaran muatan listrik menjadi tegangan listrik setara, sedangkan differential amplifier sebagai rangkaian penguat tegangan listrik.

Gambar 3 : Rangkaian Pengondisi Sinyal

C. Diagram pengukuran Diagram Blok system pengukuran sensor PVDF tersebut dapat dilihat pada gambar 4.

Gambar 4 : Blok Diagram Sistem Pengukuran

KALIBRASI SENSOR Kalibrasi dari impact sensor ini dibutuhkan untuk mengetahui sensitifitas, linearitas, Hysterisis dan Repeatabilitas sensor terhadap beban yang diberikan, untuk mengetahui karakteristik sensor tersebut maka dilakukan kalibrasi sensor. Kalibrasi sensor impact PVDF Film ini dilakukan dengan dua cara, yaitu secara statis dan secara dinamis. Pada metode statis sensor impact diberikan beban statis dari beban nol sampai 25 Kg. Dari setiap pembebanan outputnya diukur dan direkam dengan komputer dan diambil nilai output maksimum pada setiap pembebanan. Hasil grafik antara input Vs. Output dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5 : Grafik Hasil kalibrasi impact sensor Metode kalibrasi kedua adalah dengan memberikan beban impact secara dinamis terhadap sensor dengan variasi beban yang beragam. Gambar 6 menunjukkan pengaturan kalibrasi impact sensor. Untuk mengetahui besar beban impact yang diberikan terhadap sensor, diperlukan alat ukur beban lainnya sebagai referensi beban yaitu load cell. Impact sensor diletakkkan di atas load cell dan dilekatkan secara kuat. Untuk membuat permukaan bawah dan atas sensor menjadi benar benar datar, maka kedua permukaan atas dan bawah dipasang plat datar.

Gambar 6 : Set-Up Kalibrasi sensor

Sebelum dilakukan kalibrasi sensor Impact PVDF film maka load cell transducer sebagai sensor referensi terlebih dahulu harus dikalibrasi secara status dengan memberikan beban status pada sensor tersebut dan data output sensor diukur dan direkam dengan sistem data akuisisi selama 5 detik dengan frekuensi sampling 50 Hz. Hasil pengukuran yang diperoleh diolah dengan menggunakan analisa regresi sehingga didapatkan grafik Input Vs. Output seperti pada gambar 7

Gambar 7 : Grafik Hasil kalibrasi Load Cell Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa load cell mempunyai linearitas yang cukup baik dengan sensitivitas sensor 58 mV/Kg. Hasil kalibrasi dinamis ini dapat dilihat Pada gambar 8, dimana semakin besar beban impact yang diberikan dengan cara memberikan pukulan di atas sensor yang dilekatkan pada load cell, maka semakin besar pula keluaran signal baik signal load cell maupun signal dari sensor. Sedangkan output dari sensor impact dapat dilihat pada gambar 9.

Gambar 8 : output Load cell dengan beban semakin besar

Gambar 9: output sensor impact dengan beban semakin besar

Gambar 10 menunjukkan salah satu keluaran dari satu pukulan yang diambil dari rangkaian keluaran signal . Dari gambar tersebut secara jelas ditunjukkan bahwa ada kesamaan dan kesebandingan antara keluaran dari impact sensor dengan load cell.

Gambar 10 : Perbandingan output Load cell & Impact Sensor Karakteristik lainnya adalah linearitas antara besar beban impact yang diberikan dengan keluaran sensor. Gambar 11 menunjukkan hubungan antara besarnya keluaran sensor impact dengan besar beban impact yang diberikan. Dari gambar tersebut terlihat bahwa keluaran sensor impact linear sampai beban luar yang diberikan sekitar 200 Kg.

Gambar 11 : Korelasi output Loadcell & Impact Sensor

PEMBAHASAN

Untuk mengetahui karakteristik dan performa dari sensor PVDF film yang telah dibuat, disamping dilakukan kalibrasi secara statis dan dinamis untuk mengetahui hubungan gaya luar dengan keluaran sensor, dilakukan 2 jenis uji performa. Uji yang pertama untuk mengetahui kinerja dari sistem sensor yang telah dibuat dengan respon pembebanan yang berulang. Pengujian dilakukan dengan memberikan beban yang yang sama, yaitu 1500 gram, beban tersebut dijatuhkan tegak lurus ke permukaan sensor secara bebas dengan ketinggian 15 Cm sebanyak 3 kali. Output dari diukur dan direkam dengan menggunakan system data akuisisi dengan program LabView 2009. Hasil rekaman dari output sensor diperlihatkan pada gambar 12.

Gambar 12 : hasil pengujian sensor dengan pembebanan berulang

Pada grafik diatas dapat diketahui bahwa dengan pembebanan secara berulang sensor impact mempunyai respon amplitudo yang hampir sama. Ini berarti sensor impact tersebut mempunyai repeatibilitas yang cukup baik. Pengujian kedua dilakukan dengan memberikan beban yang sama, yaitu 1000 gram yang dijatuhkan tegak lurus pada dua ketinggian yang berbeda, yaitu 25 Cm dan 50 Cm. Hasil dari pengujian ini dapat dilihat pada gambar 13.

Gambar 13 : Hasil pengujian sensor dengan variasi ketinggian Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa semakin tinggi benda dijatuhkan maka gaya yang terjadi juga semakin besar, hal ini dapat dilihat pada amplitudo output sensor.

APLIKASI SENSOR PVDF FILM Gambar 14 dibawah menunjukkan bagian kecil dari struktur bagian atas dan struktur bagian bawah bangunan lepas pantai yang sedang diuji di Laboratorium Hidrodinamika UPT- BPPH BPPT Surabaya.

Gambar 14 : pemasangan sensor pada struktur Salah satu tujuan pengujian tersebut adalah untuk mengetahui respon impact bagian atas dan bawah pada saat launching. Untuk maksud tersebut maka impact sensor di pasang pada salah satu bagian (bagian atas) kaki struktur tersebut, sehingga diharapkan segala beban yang terjadi yang diakibatkan oleh hubungan antara bagian atas dan bawah baik berupa impact dengan berbagai variasi frekuensi beban impact dan juga beban tekan dinamis yang mendekati statis juga bisa di rekam dengan baik. Aplikasi dilapangan pada saat pengujian dapat dilihat pada gambar 15.

Gambar 15 : Aplikasi Sensor

KESIMPULAN Dari hasil Kalibrasi dan eksperimen sistem sensor, maka dapat dikatakan bahwa material piezoelectrik PVDF film sangat baik untuk pengukuran beban-beban dinamis sehingga sangat cocok digunakan untuk sensor impact yang dikususkan untuk mengetahui beban beban impact suatu bagian bangunan lepas pantai. Dari hasil eksperimen diketahui bahwa desain sensor impact layak digunakan untuk pengujian tersebut. Hal lain yang bisa menjamin bisa digunakannya sensor tersebut untuk pengujian bangunan lepas pantai adalah : 

Beban impact rencana yaitu sekitar 250 Kg bisa dipenuhi oleh desain sensor ini.



Adanya kesamaan dan kesebandingan antara keluaran impact sensor dengan load cell sebagai referensi alat ukur.



Demensi sensor dengan diameter 50 mm adalah sesuai dengan kebutuhan pengujian.

Aplikasi lain dari sensor impact PVDF Film dengan modifikasi desain mekanis sensor bisa digunakan untuk pengukuran tekanan yang sangat kecil, bahkan bisa digunakan untuk mendeteksi denyut nadi manusia

DAFTAR PUSTAKA

Taufiq Arif Setyanto, et al. (2005), Piezoelectric pad sensor for dynamic load measurement, Bulletin of the graduate school of engineering, Hiroshima University, Vol. 54, No. 1

Kawai, H. (1969). The piezoelectricity of Poly (vinylidene Fluoride). J. Appl. Phys. 8 Japan, pp 975-976.

Boleslaw, M., Tomasz J., Jacek C., (2001), Assesment of vehicle weight measurement method using PVDF transducers, Journal of Electrostatics, 51(52): 76-81.

Gautschi, G. (2002). Piezoelectric sensoric. Germany : Springer

Ehag. (1999). Piezofilm sensor technical manual. Measurement Specialist Inc., USA.