Kamis, 29 Januari 2015

Teori Strain Gauge





Strain Gage adalah komponen elektronika yang dipakai untuk mengukur tekanan (deformasi atau strain). Alat ini berbentuk foil logam atau kawat logam yang bersifat insulatif (isolasi) yang ditempel pada benda yang akan diukur tekanannya, dan tekanan berasal dari pembebanan. Prinsipnya adalah jika tekanan pada benda berubah, maka foil atau kawat akan terdeformasi, dan tahanan listrik alat ini akan berubah. Perubahan tahanan listrik ini akan dimasukkan kedalam rangkaian jembatan Whetstone yang kemudian akan diketahui berapa besar tahanan pada Strain Gage. Tegangan keluaran dari jembatan Wheatstone merupakan sebuah ukuran regangan yang terjadi akibat tekanan dari setiap elemen pengindera Strain Gage. Tekanan itu kemudian dihubungkan dengan regangan sesuai dengan hukum Hook yang berbunyi : Modulus elastis adalah rasio tekanan dan regangan. Dengan demikian jika modulus elastis adalah sebuah permukaan benda dan regangan telah diketahui, maka tekanan bisa ditentukan..Hukum Hook dituliskan sebagai :

σ = E/s

dimana
σ = regangan, Δl/l (tanpa
s = tegangan geser , kg/
E = modulus Young , kg/cm2

 

Bila dua gage atau lebih digunakan, maka tekanan pada pelacakan arah setiap gage bisa ditentukan dengan menggunakan perhitungan. Namun demikian persamaannya memiliki tingkat kompleksitas yang berbeda tergantung pada kombinasi dan orientasi gage tersebut.
 

Kepekaan sebuah Strain Gage disebut dengan faktor gage dan perbandingan antara unit resistansi dengan perubahan unit panjang adalah :
 

Faktor gage K = (∆R/R)/(∆l/l)
Dimana :
K = Faktor gage
ΔR = Perubahan tahanan gage
Δl = Perubahan panjang bahan
R = Tahanan gage nominal
l = Panjang normal bahan

 

Jadi regangan diartikan sebagai perbandingan tanpa dimensi, perkalian unit yang sama, misalnya mikroinci / inci atau secara umum dalam persen (untuk deformasi yang besar) atau yang paling umum lagi dalam mikrostrain.
Perubahan tahanan ΔR pada sebuah konduktor yang panjangnya l dapat dihitung dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor yang penampangnya serba sama,

 

R = ρ Panjang/Luas
    = ρxl/((π/4) d^2 )

dimana :
ρ = tahanan spesifik dari bahan konduktor
l = panjang konduktor
d = diameter konduktor

 

Karakteristik Strain Gauge
Karakteristik dari filamen adalah sebagai berikut :
1) Faktor Gage tertinggi
2) Koefisien suhu resistansi rendah
3) Resitivitas tinggi
4) Kekuatan mekanis tinggi
5) Potensial termo listrik minimum disekitar lead

 

Bahan- bahan yang bisa dijadikan Strain Gauge
Berbagai jenis bahan tahanan telah dikembangkan untuk pemakaian dalam gage-gage kawat dan foil, seperti:

 

a. Constantan adalah paduan (alloy) tembaga-nikel dengan koefisien temperatur rendah. Biasanya Constantan ditemukan dalam Gage yang digunakan untuk strain dinamik, dimana perubahan level strain tidak melebihi ± 1500 μcm/cm. Batas temperatur kerja adalah dari 10 oC sampai 200oC. 

b. Nichrome V adalah paduan nikel-chrome yang digunakan untuk pengukuran strain statik sampai 375 oC. dengan kompensasi temperatur, paduan ini dapat digunakan untuk pengukuran static sampai 650 oC dan pengukuran dinamik sampai 1000 oC.


c. Dynaloy adalah paduan nikel-besi dengan Faktor Gage yang rendah dan ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan. Bahan ini digunakan untuk pengukuran strain dinamik bila sensitivitas temperatur yang tinggi dapat di tolerir.


d. Stabiloy adalah paduan nikel-chrome yang dimodifikasi dengan rangkuman kompensasi temperatur yang lebar. gage ini memikiki stabilitas yang sangat baik dan temperatur cryogenic sampai sekitar 350 oC dan ketahanan yang baik tehadap kelelahan.


e. Paduan-paduan platina tungsten memberikan stabillitas yang sangat baik dan ketahanan yang tinggi terhadap kelelahan pada temperatur tinggi. Gages ini disarankan untuk pengukuran uji static sampai 700 oC dan pengukuran dinamik 850 oC.



Beberapa Jenis Strain Gauge

Jenis-jenis dari Metal Foil Strain Gage


a) Rosette 90o yang dapat mengukur aksial dan regangan trasfer sekaligus. Variasi desain ini adalah stress gage dimana dua elemen meliliki tahanan yang berbeda. Tahanan juga di pilih sehingga hasilnya memberikan sebuah sensor yang keluarannya sebanding dengan takanan dan keluaran elemen aksial sebanding dengan regangan.


b) Rosette 45o memberikan reaksi angular lebih besar dari rosette 90o

c) Rosette 60o
Percobaan
 

Percobaan Nilai Hambatan Sensor
Percobaan untuk mencari nilai hambatan kami lakukan pertama karena untuk mencari nilai regangan sangat sulit. Nilai regangan berkisar dibawah satu mili. Oleh karena itu kami mencari nilai hambatan terlebih dahulu baru menghitung nilai regangannya.
Gambar percobaan untuk mengukur beban:

 
Tabel hasil percobaan:
Beban            Hambatan

0 gram            120,4 Ω
(Kondisi Awal) 
500 gram        120,5 Ω
1000 gram      120,7 Ω
1500 gram      120,8 Ω
2000 gram      120,9 Ω
2500 gram       121 Ω



Perhitungan perancangan jembatan WheatStone


Sebelum kita melakukan percobaan,kita akan terlebih dahulu melakukan perhitungan terhadap rangkaian dibawah ini untuk mengetahui nilai resistor–resistor yang kita butuhkan

 

Dari rangkaian diatas ini yang kita inginkan adalah ketika jembatan diatas ini dalam keadaan setimbang nilai dari Vg =0.Seperti kita ketahui bahwa strain gauge yang kita gunakan pada percobaan ini memiliki resistansi sebesar 120Ω.Untuk mencari nilai resistansi ,kita masukkan kedalam rumus



Vg = R3/(R1+R3)Vin − R4/(R2+R4)Vin
   0= R3/(R1+R3)Vin − R4/(R2+R4)Vin
R3/(R1+R3)Vin = R4/(R2+R4)Vin

 

Dari persamaan diatas maka didapat rumus:
R1.R4 = R2.R3
Kita tahu bahwa R4=120 Ω(tahanan dari strain gaguenya.

Kita ambil gunakan R2 dan R3 sebesar 118.4Ω, maka nilai R1:




  
                                       





Pada percobaan kami menggunakan R1 yang terdiri dari resistor 120Ω yang diparalelkan dengan potentiometer 10kΩ. Hal ini kami lakukan untuk memperoleh hambatan sebesar 116.8213 yang akurat.

Perhitungan Perancangan System pengolah siyal analog
Pada percobaan ini kami menggunakan instrumentasion amplifier, karena tegangan yang didapat dari jembatan Wheatstone merupakan selisih nilai tegangan. Kriteria yang kami inginkan adalah saat strain gage diberi beban seberat 2kg, maka system akan memberikan output tegangan sebesar 5V. Untuk mendapatkan nilai hambatan bisa menggunakan rumus:

Faktor gage K = (∆R/R)/(∆l/l) …………..(2)
Dimana :
K = Faktor gage
ΔR = Perubahan tahanan gage
Δl = Perubahan panjang bahan
R = Tahanan gage nominal
l = Panjang normal bahan

Nilai Faktor Gage adalah 2.1, nilai ini didapat dari datasheet sensor. Tahanan nominal adalah 120Ω nilai ini juga diperoleh dari datasheet. Karena nilai regangan yang sangat kecil, maka kami tidak mampu mendapatkan besarnya perubahan tahanan menggunakan rumus. Oleh sebab itu kami langsung melakukan percobaa untuk mecari nilai hambatan. Nilai regangan bisa dilihat pada perhitungan di bawah ini:


Setelah mengetahui nilai hambatan pada saat diberi beban 2 Kg, maka sekarang kami akan mencari nilai Vg (nilai selisih tegangan pada titik C – D pada gambar). Perhitungannya dan gambar bisa dilihat di bawah ini:



Vin yang digunakan adalah 5V.


Sekarang kami telah mendapatkan nilai Vg, nilai Vg perlu diperkuat untuk memperoleh Vout sebesar 5 V, maka kami akan menggunakan Instrumentation Amplifier dan penguat inverting. Perhitungannya bisa dilihat dibawah ini:

1. Mencari total penguatan yang diperlukan:




2. Desain instrumentation amplifier untuk penguatan 470 kali.Untuk instrumentation amplifier digunakan IC LM741, Gambar rangkaian bisa dilihat dibawah ini:






Perhitungan penguatan instrumentation amplifier bisa dilihat dibawah:



Kami menggunakan resistor 560k, karena nilai resistor tersebut ada di pasaran jadi penguatan yang dihasilkan adalah: 
 



Pengujian Sensor Strain Gauge

Alat dan bahan :
1.Power supply (2 buah)
2.Avometer digital (1 buah)
3.Resistor 1Ω (3 buah), 120Ω (2buah), 560kΩ (2buah), 1kΩ (2buah).
4.Potensiometer 10k Ω
5.Strain gauge 120Ω (1buah)
6.IC LM741 (4 buah)

Data percobaan
Beban        V (tanpa op amp)        V (dengan op amp)

500 gram       1.9 mV                            0.95 V
1000 gram     3.2mV                             1.62 V
1500 gram     4.5 mV                            2.25 V
2000 gram     5.7 mV                            2.85 V
2500 gram     7 mV                               3.54V


Sensitivitas Perbandingan input dan ouput
Pada saat beban karakteristik maksimum (2 kg)

(V out)/(V in) x 100% = (2,85 V)/(5 V) x 100%=57 %


Kesimpulan :
Strain gauge adalah sensor strain yang mengubah regangan menjadi hambatan, kemudian dengan rangkaian Jembatan Wheatstone dikonversi menjadi Tegangan namun karena tegangan yang dihasilkan sangatlah kecil (skala mili Volt) dibutuhkan rangkaian Penguat sehingga sensor starin gauge dapat menjadi actuator.
Penguatan berkuarang karena terkena pengaruh dari ketidak idealan op-amp. Perhitungan berbeda dengan hasilk perhitungan disebabkan karena toleransi resistor dan perubahan nilai resistor karena pengaruh panas pada saat disolder. Untuk memperoleh tegangan output 5v maka diperlukan penguatan sebesar 877 kali.


Dibuat Oleh :


HERYANTO JOYOSONO     
LORDIAN SUSILO    
JEFFRY                                        
https://fisikainstrumentasiukm.files.wordpress.com