Sensor Posisi

Dalam tutorial ini kita akan melihat berbagai perangkat yang digolongkan sebagai Perangkat Input dan oleh karena itu disebut "Sensor" dan khususnya sensor-sensor yang bersifat Posisi sebenarnya.

Seperti namanya, Sensor Posisi mendeteksi posisi sesuatu yang berarti bahwa mereka dirujuk ke atau dari titik atau posisi tertentu. Jenis sensor ini memberikan feedback atau umpan balik "posisional".

Salah satu metode untuk menentukan posisi, adalah dengan menggunakan "jarak", yang bisa berupa jarak antara dua titik seperti jarak yang ditempuh atau menjauh dari beberapa titik tetap, atau dengan "rotasi" (gerakan sudut).

Misalnya, rotasi roda robot untuk menentukan jarak yang ditempuh di sepanjang tanah. Bagaimanapun juga, Sensor Posisi dapat mendeteksi pergerakan suatu objek dalam garis lurus menggunakan Sensor Linier atau dengan gerakan sudutnya menggunakan Sensor Rotasi.

Potensiometer

Sensor Posisi yang paling umum digunakan adalah potensiometer karena merupakan sensor posisi yang murah dan mudah digunakan. Ini memiliki kontak penghapus (wiper) terkait dengan poros mekanik yang dapat berupa sudut (rotasi) atau linier (tipe slider) dalam gerakannya, dan yang menyebabkan nilai resistansi antara penghapus/slider.

Dan dua koneksi ujung berubah memberikan sinyal listrik output yang memiliki hubungan proporsional antara posisi penghapus aktual pada jalur resistif dan nilai resistansi. Dengan kata lain, resistansi sebanding dengan posisi.

Potensiometer datang dalam berbagai desain dan ukuran seperti tipe rotasi bundar yang umum tersedia atau tipe slider linier yang lebih panjang dan datar. Ketika digunakan sebagai sensor posisi, objek yang bergerak dapat dihubungkan langsung ke poros rotasi atau penggeser potensiometer.

Tegangan referensi DC diterapkan pada dua koneksi tetap luar yang membentuk elemen resistif. Sinyal tegangan output diambil dari terminal penghapus kontak geser seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Konfigurasi ini menghasilkan output rangkaian tipe Pembagi Potensial atau tegangan yang sebanding dengan posisi poros. Kemudian misalnya, jika Anda menerapkan tegangan katakanlah 10v pada elemen resistif potensiometer, tegangan output maksimum akan sama dengan tegangan supply pada 10 volt, dengan tegangan output minimum sama dengan 0 volt.

Kemudian penghapus potensiometer akan memvariasikan sinyal output dari 0 hingga 10 volt, dengan 5 volt yang menunjukkan bahwa penghapus (wiper) atau penggeser (slider) berada pada posisi setengah jalan atau tengah.

Konstruksi Potensiometer

Sinyal output (Vout) dari potensiometer diambil dari sambungan penghapus tengah saat bergerak di sepanjang jalur resistif, dan sebanding dengan posisi sudut poros.

Contoh: Rangkaian Sensor Posisi yang sederhana

Sementara sensor posisi potensiometer resistif memiliki banyak kelebihan/keuntungan: biaya rendah, teknologi rendah, mudah digunakan dll, sebagai sensor posisi mereka juga memiliki banyak kelemahan/kerugian: keausan karena bagian yang bergerak, akurasi rendah, pengulangan yang rendah, dan respons frekuensi terbatas.

Tetapi ada satu kelemahan utama menggunakan potensiometer sebagai sensor posisi. Kisaran gerakan penghapus atau penggesernya (dan karenanya sinyal output yang diperoleh) terbatas pada ukuran fisik potensiometer yang digunakan.

Misalnya potensiometer rotasi putaran tunggal umumnya hanya memiliki rotasi mekanik tetap antara 0° dan sekitar 240 hingga 330° maksimum. Namun, pot multi-putaran hingga rotasi mekanis hingga 3600° (10 x 360°) juga tersedia.

Sebagian besar jenis potensiometer menggunakan film karbon untuk jalur resistifnya, tetapi jenis ini berisik secara elektrik (keresek pada kontrol volume radio), dan juga memiliki masa pakai mekanik yang pendek.

Pot gulungan kawat juga dikenal sebagai Rheostat, dalam bentuk kawat lurus atau kawat resistif gulungan coil juga dapat digunakan, tetapi pot gulungan kawat memiliki masalah resolusi karena wiper (penghapus) mereka melompat dari satu segmen kawat ke yang berikutnya menghasilkan logaritmik ( LOG) menghasilkan kesalahan pada sinyal output. Ini juga menghasilkan kebisingan listrik.

Untuk aplikasi presisi tinggi, kebisingan rendah, elemen resistansi plastik jenis film polimer atau potensiometer jenis cermet sekarang tersedia.

Pot ini memiliki trek resistif linear gesekan elektrik rendah (LIN) halus yang memberikan kebisingan rendah, umur panjang, dan resolusi luar biasa serta tersedia sebagai perangkat multi-putaran dan putaran tunggal. Aplikasi umum untuk jenis sensor posisi akurasi tinggi ini adalah di joystick game komputer, roda kemudi, aplikasi industri dan robot.

Sensor Posisi Induktif

Transformator Diferensial Variabel Linier (LVDT)

Salah satu jenis sensor posisi yang tidak mengalami masalah keausan mekanis adalah "Linear Variable Differential Transformer" atau singkatnya LVDT.

Ini adalah sensor posisi tipe induktif yang bekerja dengan prinsip yang sama dengan transformator AC yang digunakan untuk mengukur gerakan. Ini adalah perangkat yang sangat akurat untuk mengukur perpindahan linier dan yang outputnya sebanding dengan posisi inti yang dapat dipindahkan.

Ini pada dasarnya terdiri dari tiga gulungan kumparan coil pada tabung bekas berlubang, satu membentuk kumparan coil primer dan dua kumparan coil lainnya membentuk sekunder identik yang terhubung secara elektrik bersama-sama secara seri tetapi 180° diluar-fasa di kedua sisi kumparan coil primer.

Inti feromagnetik besi lunak yang dapat dipindahkan (kadang-kadang disebut "armature/angker") yang terhubung ke objek yang diukur, meluncur atau bergerak ke atas dan ke bawah di dalam tubuh tabung LVDT.

Tegangan referensi AC kecil yang disebut "sinyal eksitasi" (2 - 20V rms, 2 - 20kHz) diterapkan pada belitan primer yang pada gilirannya menginduksi sinyal GGL (gaya gerak listrik) ke dalam dua belitan sekunder yang berdekatan (prinsip transformator).

Jika angker inti magnetis besi lunak tepat berada di tengah tabung dan belitan, "posisi nol", kedua ggl yang diinduksi dalam dua belitan sekunder saling membatalkan satu sama lain karena berada 180° diluar-fasa, sehingga output yang dihasilkan tegangan adalah nol.

Karena inti dipindahkan sedikit ke satu sisi atau yang lain dari null atau posisi nol, tegangan yang diinduksi dalam salah satu sekunder akan menjadi lebih besar daripada sekunder lainnya dan output akan diproduksi.

Polaritas sinyal output tergantung pada arah dan perpindahan inti yang bergerak. Semakin besar pergerakan inti besi lunak dari posisi nol pusatnya, semakin besar pula sinyal output yang dihasilkan.

Hasilnya adalah output tegangan diferensial yang bervariasi secara linier dengan posisi inti. Dan karena itu, sinyal output dari jenis sensor posisi ini mempunyai amplitudo yang juga merupakan fungsi linear dari perpindahan inti dan polaritas yang menunjukkan arah gerakan.

Fasa sinyal output dapat dibandingkan dengan fasa eksitasi coil primer yang memungkinkan rangkaian elektronik yang sesuai seperti AD592 LVDT Sensor Amplifier untuk mengetahui setengah dari coil inti magnetis dan dengan demikian mengetahui arah perjalanan.

Rangkaian Sensor Posisi LVDT

Ketika angker dipindahkan dari satu ujung ke ujung lainnya melalui posisi tengah tegangan output berubah dari maksimum ke nol dan kembali ke maksimum lagi tetapi dalam proses perubahan sudut fasa sebesar 180 derajat.

Ini memungkinkan LVDT untuk menghasilkan sinyal AC output yang besarnya mewakili jumlah gerakan dari posisi tengah dan yang fasa sudutnya mewakili arah gerakan inti.

Aplikasi tipikal dari sensor transformator diferensial variabel linier (LVDT) adalah sebagai transduser tekanan, jika tekanan yang diukur mendorong terhadap diafragma untuk menghasilkan gaya. Gaya tersebut kemudian diubah menjadi sinyal tegangan yang dapat dibaca oleh sensor.

Keuntungan/kelebihan dari transformator diferensial variabel linier, atau LVDT dibandingkan dengan potensiometer resistif adalah bahwa linearitasnya, yaitu output tegangan untuk perpindahan sangat baik, akurasi sangat baik, resolusi baik, sensitivitas tinggi serta operasi tanpa gesekan. Mereka juga dibuat untuk digunakan dalam lingkungan yang tidak bersahabat.

Sensor Induktif Jarak (Kedekatan)

Jenis lain dari sensor posisi induktif yang umum digunakan adalah Sensor Jarak/Kedekatan Induktif yang juga disebut sensor arus Eddy. Meskipun mereka tidak benar-benar mengukur perpindahan atau rotasi sudut, mereka terutama digunakan untuk mendeteksi keberadaan objek di depan mereka atau dalam jarak yang dekat, maka mereka menyebutnya "sensor jarak".

Sensor Jarak atau Kedekatan, adalah sensor posisi non-kontak yang menggunakan medan magnet untuk deteksi dengan sensor magnetis paling sederhana adalah sakelar buluh. Dalam sebuah sensor induktif, sebuah kumparan coil dililitkan di sekitar inti besi dalam medan elektromagnetik untuk membentuk loop induktif.

Ketika bahan feromagnetik ditempatkan dalam bidang arus eddy yang dihasilkan di sekitar sensor induktif, seperti plat logam feromagnetik atau sekrup logam, induktansi kumparan coil berubah secara signifikan.

Rangkaian deteksi sensor jarak mendeteksi perubahan ini menghasilkan tegangan output. Oleh karena itu, sensor jarak induktif beroperasi di bawah prinsip kelistrikan Hukum Faraday Induktansi.

Rangkaian Induktif Sensor Jarak (Kedekatan)

Sensor jarak induktif memiliki empat komponen utama; Osilatoryang menghasilkan medan elektromagnetik, Kumparan coil yang menghasilkan medan magnet, Rangkaian deteksi yang mendeteksi perubahan di lapangan ketika sebuah benda masuk dan Rangkaian output yang menghasilkan sinyal output, baik dengan normally-closed (NC) atau normally-open kontak (NO).

Sensor jarak induktif memungkinkan untuk mendeteksi objek logam di depan kepala sensor tanpa ada kontak fisik dari objek itu sendiri yang terdeteksi. Ini membuatnya ideal untuk digunakan di lingkungan kotor atau basah. Rentang sensor jarak "sensing" sangat kecil, biasanya 0.1 mm hingga 12 mm.

Selain aplikasi industri, sensor jarak induktif juga biasa digunakan untuk mengontrol arus lalu lintas dengan mengubah lampu lalu lintas di persimpangan dan persimpangan jalan. Lingkaran induktif persegi panjang kawat dikubur ke bawah permukaan jalan aspal.

Ketika sebuah mobil atau kendaraan melewati loop induktif ini, badan logam kendaraan mengubah induktansi loop dan mengaktifkan sensor sehingga mengingatkan pengontrol lampu lalu lintas bahwa ada kendaraan yang menunggu.

Salah satu kelemahan utama dari jenis sensor posisi ini adalah mereka "Omni-directional", yaitu mereka akan merasakan benda logam baik di atas, di bawah atau di sampingnya.

Juga, mereka tidak mendeteksi objek non-logam meskipun Sensor Jarak Kapasitif dan Sensor Jarak Ultrasonik tersedia. Sensor posisi magnetis lain yang tersedia secara umum meliputi: Sakelar buluh, Sensor Efek Hall, dan sensor Reluctance variabel.

Rotary Encoder

Rotary Encoder atau encoder putar adalah jenis lain dari sensor posisi yang menyerupai potensiometer yang disebutkan sebelumnya tetapi merupakan perangkat optik non-kontak yang digunakan untuk mengubah posisi sudut poros putar menjadi kode data analog atau digital. Dengan kata lain, mereka mengubah gerakan mekanis menjadi sinyal listrik (lebih disukai digital).

Semua pembuat encode optik bekerja dengan prinsip dasar yang sama. Cahaya dari sumber cahaya LED atau infrared dilewatkan melalui disk yang disandikan dengan resolusi tinggi yang berisi pola kode yang diperlukan, baik biner, kode abu-abu atau kode BCD.

Detektor foto memindai disk saat diputar dan rangkaian elektronik memproses informasi menjadi bentuk digital sebagai aliran pulsa output biner yang diumpankan ke penjumlah atau pengontrol yang menentukan posisi sudut aktual poros.

Ada dua tipe dasar dari encoder optik putar, Encoder Incremental dan Encoder Posisi Absolut.

Encoder Incremental

Incremental Encoders atau encoder tambahan, juga dikenal sebagai quadrature encoders atau rotary encoder relatif, adalah yang paling sederhana dari dua sensor posisi.

Output mereka adalah serangkaian pulsa gelombang persegi yang dihasilkan oleh pengaturan fotosel sebagai disk berkode, dengan spasi transparan dan gelap yang disebut garis segmen pada permukaannya, bergerak atau berputar melewati sumber cahaya.

Encoder menghasilkan aliran pulsa gelombang persegi yang, ketika dihitung, menunjukkan posisi sudut poros yang berputar.

Encoder Incremental memiliki dua output terpisah yang disebut "output quadrature". Kedua output dipindahkan pada 90° keluar-fasa dari satu sama lain dengan arah rotasi poros ditentukan dari urutan output.

Jumlah segmen atau slot yang transparan dan gelap pada disk menentukan resolusi perangkat dan meningkatkan jumlah garis dalam pola meningkatkan resolusi per derajat rotasi. Cakram khusus yang dikodekan memiliki resolusi hingga 256 pulsa atau 8-bit per rotasi.

Encoder Inkremental yang paling sederhana disebut Tachometer. Ini memiliki satu output gelombang persegi tunggal dan sering digunakan dalam aplikasi searah di mana posisi dasar atau informasi kecepatan hanya diperlukan.

Encoder Quadrature atau “gelombang sinus” adalah lebih umum dan memiliki dua gelombang output persegi yang biasa disebut channel A dan channel B.

Perangkat ini menggunakan dua detektor foto, sedikit diimbangi satu sama lain sebesar 90° sehingga menghasilkan dua sinyal output sinus dan kosinus yang terpisah.

Encoder Incremental Sederhana

Dengan menggunakan fungsi matematika Arc Tangent, sudut poros pada radian dapat dihitung. Secara umum, disk optik yang digunakan dalam encoder posisi putar berbentuk lingkaran, maka resolusi output akan diberikan sebagai: θ = 360/n, di mana n sama dengan jumlah segmen pada disk yang dikodekan.

Maka misalnya, jumlah segmen yang diperlukan untuk memberikan encoder inkremental atau tambahan resolusi 1° adalah: 1° = 360/n, oleh karena itu, n = 360 window, dll.

Juga arah rotasi ditentukan dengan memperhatikan channel mana yang menghasilkan sebuah output pertama, baik channel A atau channel B memberikan dua arah rotasi, A mengarah B atau B mengarah A. Pengaturan ini ditunjukkan di bawah ini.

Output Encoder Incremental (tambahan)

Salah satu kelemahan utama dari encoder incremental ketika digunakan sebagai sensor posisi, adalah bahwa mereka memerlukan penjumlah eksternal untuk menentukan sudut absolut poros dalam rotasi tertentu.

Jika daya dimatikan untuk sementara waktu, atau jika pembuat enkode kehilangan pulsa karena derau atau cakram kotor, informasi sudut yang dihasilkan akan menghasilkan kesalahan. Salah satu cara untuk mengatasi kerugian ini adalah dengan menggunakan encoder posisi absolut.

Encoder Posisi Absolut

Absolute Position Encoder lebih kompleks daripada encoder quadrature. Mereka memberikan kode output yang unik untuk setiap posisi rotasi yang menunjukkan posisi dan arah. Disk berkode mereka terdiri dari beberapa "trek" konsentris segmen terang dan gelap.

Setiap trek independen dengan detektor foto sendiri untuk secara bersamaan membaca nilai posisi kode yang unik untuk setiap sudut gerakan.

Jumlah trek pada disk sesuai dengan resolusi "bit" biner dari enkoder sehingga enkoder absolut 12-bit akan memiliki 12 trek dan nilai kode yang sama hanya muncul satu kali per revolusi.

Encoder Posisi Absolut dengan Disk Biner 4-bit

Salah satu kelebihan utama dari encoder absolut adalah memori non-volatile yang mempertahankan posisi encoder yang tepat tanpa perlu kembali ke posisi "home" jika daya gagal.

Kebanyakan rotary encoder didefinisikan sebagai perangkat "belok tunggal", tetapi perangkat belok mutlak mutlak tersedia, yang memperoleh umpan balik dari beberapa putaran dengan menambahkan disk kode tambahan.

Aplikasi khas dari encoder posisi absolut adalah dalam hard drive komputer dan drive CD/DVD adalah posisi absolut dari drive read/write head dimonitor atau di printer/komplotan untuk secara akurat menempatkan print head di atas kertas.

Dalam tutorial ini tentang Sensor Posisi, kita telah melihat beberapa contoh sensor yang dapat digunakan untuk mengukur posisi atau keberadaan objek.

Dalam tutorial selanjutnya tentang Sensor kita akan melihat sensor yang digunakan untuk mengukur suhu seperti termistor, termostat dan termokopel, dan yang dikenal sebagai Sensor Suhu (Temperatur Sensors).