VELOCITY AND ACCELERATION SENSOR

    

Sensor merupakan suatu piranti yang digunakan untuk mendeteksi perubahan fisik dari suatu keadaan dengan cara menghasilkan sinyal yang berhubungan dengan dengan kuantitas yang diamati atau diukur. Beberapa metode telah dikembangkan untuk mengukur kecepatan dan percepatan. Percepatan biasanya dapat diukur langsug, sementara kecepatan kadang-kadang dapat diperoleh dengan mengintegrasikan sinyal-sinyal percepatan.

Definisi kecepatan ( atau ) dan percepatan ( atau ) memberi kesan bahwa suatu kuantitias dapat diukur dan lainnya dapat diperoleh dengan mengintegrasikan atau diferensiasi sinyal-sinyal rekaman. Karena proses diferensiasi menghasilkan eror-eror dari noise atau gangguan sinyal lainnya, maka jarang dipakai untuk menentukan v dan a. Proses integrasi mengurangi kesalahan dan dapat digunakan untuk menentukan v dengan mengintegrasikan a.walaupun harus mengetahui keadaan awal dari system sebelum dilakukan pengukuran.

Pengukuran terhadap kuantitas-kuantitas kinematik seperti percepatan dan kecepatan harus dibuat tetap terhadap sumbu referensinya. Frame basis-basis sumbu referensi didalam mekanika adalah system primary inertial,  yang terdiri dari set imaginer dari sumbu-sumbu tetap segiempat didalam ruang. Pengukuran terhadap system primary inertial ini bersifat absolut, dan hokum mekanika newton adalah beraku sepanjang kecepan kecil dibandingkan dengan kecepatan cahaya.

Percepatan merupakan karakteristik dinamis obyek, karena menurut Newton hukum kedua, pada dasarnya memerlukan penerapan gaya. Akibatnya, posisi,kecepatan, dan percepatan adalah semua yang terkait: Velocity adalah turunan pertama dari posisi dan percepatan adalah turunan kedua. Namun, di lingkungan yang bising, mengambil derivatif dapat mengakibatkan kesalahan yang sangat tinggi, bahkan jika kompleks  dan canggih Sinyal sirkuit pengkondisian bekerja. Oleh karena itu, kecepatan dan percepatan yang tidak berasal dari detektor posisi, melainkan diukur dengan sensor khusus. Sebagai aturan praktis, di frekuensi rendah aplikasi (memiliki bandwidth pada urutan 1 Hz), posisi dan pengukuran perpindahan umumnya memberikan akurasi yang baik. Diintermediate frekuensi aplikasi (kurang dari 1 kHz), pengukuran kecepatan adalah biasanya disukai. Dalam mengukur frekuensi tinggi gerakan dengan tingkat kebisingan yang cukup, Pengukuran percepatan disukai.

Velocity (kecepatan atau laju gerak) mungkin linier atau sudut, yaitu, hal itu menunjukkan bagaimana cepat sebuah benda bergerak sepanjang garis lurus atau seberapa cepat berputar. Ukuran kecepatan tergantung pada skala obyek dan dapat dinyatakan, misalnya, dalam milimeter perkedua atau mil per jam. Saat ini, kecepatan sebuah objek besar, terutama tanah atau kendaraan air, mungkin sangat efisien ditentukan oleh (Geo Positioning System) GPS yang beroperasi dengan menerima sinyal radio dari beberapa satelit bumi dan oleh menghitung waktu tunda dari sinyal yang diterima dari satu satelit dibandingkan dengan lainnya. Ketika posisi kendaraan ditentukan dengan tingkat suku bunga periodik, perhitungan kecepatan adalah tidak ada masalah. Untuk obyek yang lebih kecil dan jarak pendek, GPS tidak solusi. Mendeteksi kecepatan untuk benda tersebut memerlukan referensi yang berbeda. Ide dasar di balik banyak sensor untuk transduksi kecepatan atau percepatan adalah pengukuran perpindahan obyek terhadap beberapa objek referensi yang, dalam banyak kasus, merupakan bagian integral dari sensor. Pemindahan sini adalah kata kunci.

I.           ACCELEROMETER

Accelerometer adalah suatu sensor yang difungsikan untuk mengukur percepatan, mendeteksi dan mengukur getaran,ataupun untuk menukur percepatan akibat gravitasi bumi. Accelerometer menggunakan prinsip hokum kedua Newton yang mengakibatkan penggunaannya dari persamaan gaya. Efeknya, posisi, kecepatan dan percepatan adalah relative terhadap referensi.

Accelerometer dapat digunakan untuk mengukur vibrasi pada mobil, mesin bangunan, dan instalasi pengamanan. Juga dapat dimanfaatkan untuk mengukur aktivitas gempa bumi dan alat elektronik lainnya, seperti permainan 3 dimensi, mouse computer dan telepon. Untuk aplikasi lainnya dapat digunakan sebagai navigasi.

Percepatan merupakan suatu keadaan berubahnya kecepatan terhadap waktu. Bertambahnya suatu kecepatan dalam suatu rentang waktu disebut percepatan (acceleration). Namun jika kecepatan semakin berkurang daripada kecepatan sebelumnya, disebut perlambatan (deceleration). Percepatan juga bergantung pada arah/orientasi karena merupakan penurunan kecepatan yang merupakan besaran vektor. Berubahnya arah pergerakan suatu benda akan menimbulkan percepatan pula. Untuk memperoleh data jarak dari sensor accelerometer, diperlukan proses integral ganda terhadap keluaran sensor.

Proses penghitungan ini dipengaruhi oleh waktu cuplik data, sehingga jeda waktu cuplik data (dt) harus selalu konstan dan dibuat sekecil mungkin   Secara sederhana, integral merupakan luas daerah di bawah suatu sinyal selama rentang waktu tertentu. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 Proses integral terhadap suatu sinyal.

Model matematika dari suatu accelerometer adalah

Dimana  dan  adalah laplacian dari  dan . Sehingga penyelesaiannya adalah 

Dengan memasukkan variable  dan  maka

Persamaan akhir diperoleh

Gamabar 2. Frekuensi respon dari akselerometer

Accelerometer memiliki karakteristik tertentu, yaitu dilihat dari:

• ™ Capacitive Accelerometers
• ™ Piezoresistive Accelerometers
• ™ Piezoelectric Accelerometers
• ™ Thermal Accelerometers

II.a. Capacitive Accelerometers

Salah satu beasaran yang dapat digunakan untuk akselerometer adalah capasitansinya.

Gambar 3. Kapasitas accelerometer dengan capasitor diferensial

Sebuah sensor capasitiv akselerasi memiliki dua komponen penting,yaitu lempeng cap dan base sebagai penghubung kedalam inti, sedangkan inertial mass yang mendeteksi perpindahan dari benda.Lepengan metal pada Acceerometer ini memprduksi sejumlah kapasitansi, Perbahan nilai kapasitansi mepengarhi percepatan.

Pelat kapasitor antara pelat base dan cap memiliki luasan sebesar S1 yaitu d1 sampai d2. Ketika terjadi peruabahan maka besarnya d1 dan d2 akan berubah, besarnya perubahan yaitu sebesar Dimana  adalah gaya mekanik yang diberikan terhadap benda, k adalah konstanta pegas dari pegas silicon. Berikut ini diagram perubahan  kapasitansi ke tegangan.

Gambar 4. Diagram pengubahan kapasitansi ke tegangan.

II.b. Piezoresistive Accelerometer

Sebagai elemen sensor, accelerometer piezoresistive digunakan untuk mengukur regangan, yang mengukur regangan pada pegas massa pendukung. Regangan dapat berhubungan langsung dengan besarnya dan laju perpindahan massa dan, kemudian, dengan percepatan.

Gambar 5. Piezoresistive accelerometer

Prinsip dari Piezoresistive accelerometer yaitu lempengan yang secara resistan akan berubah sesuai dengan perubahan percepatan. Kristal  pizoelektrik akan menghasikan tegangan akibat adanya getaran dimana tegangan yang dikeluarkan akan dikonversikan menjadi kecepatan.

II.c. Piezoelectric accelerometer

Kristal piezoelectric yang terdapat pada accelerometer jenis ini mengeluarkan tegangan yang selanjutnya dikonversi menjadi percepatan.

II.d. Thermal Accelerometer

II.d.1. Heated-Plate Accelerometers

Gambar 6. Heated-Plate Accelerometers

II.d.2. Heated-Gas Accelerometers

Gambar 7. Heated-Gas Accelerometers

II.e. Aplikasi Accelerometers

1. Bidang Transportasi pada bidang transportasi biasanya digunakan untuk menghitung kecepatan dari kendaraan.

2. Bidang Medis, pada bidang ini accelerometer digunakan untuk menghitung kecepatan aliran darah

3. Science and Engineering dapat digunakan sebagai kecepatan alat.

4. Peralatan Elektronik dapat digunakan pada moouse computer.

II.   GYROSCOPE

Gyroscope adalah alat yang digunakan untuk menentukan orientasi gerak yang berotasi dengan cepat pada poros sumbu berdasarkan prinsip-prinsip momentum sudut. Mekanis, giroskop adalah roda berputar atau disc dimana poros bebas untuk menganggap setiap orientasi. Meskipun orientasi ini tidak tetap tetap, berubah sebagai respons terhadap torsi eksternal jauh lebih sedikit dan dalam arah yang berbeda daripada itu akan tanpa momentum sudut besar yang terkait dengan tingginya tingkat disc spin dan momen inersia. Orientasi perangkat tetap hampir tetap, terlepas dari gerak platform pemasangan, karena pemasangan perangkat di gimbal yang meminimalkan torsi eksternal.

III.a. Rotor Gyroscope

Gyro mekanik tersusun atas sebuah Disk yang massive yang dapat bergerak sesuai dengan  sumbu putarnya.

Gambar 8. Rotor gyroscope

III.b. Monolithic Silicon Gyroscops

Merupakan perkembangan dari Gyro mekanik Menggunaka MEMS micromachine yang digunakan sebagai miniature Gyroscope,  rotating disk diganti dengan vibrating elemen.

III.c. Optical Gyroscops

Dua sinar yang dilewatkan pada suatu cincin dengan jari jari R dan index refractie n dengan arah yang saling berlawanan arah dan cincin trsebut diputar dengan percepatan anguler Ω

Prinsip kerja berdasarkan efect Sagnac yaitu

IV.        KELEBIHAN DAN KELEMAHAN.

™ Accelerometer

•      Dapat mengukur gerakan linier & gravitasi secara bersamaan.

•      Harga lebih murah dibandingkan Gyroscope.

•      Tidak mengukur gerak rotasi manusia.

•      Pada accelerometer dipengaruhi oleh gravitasi.

•      Tidak dapat mengukur orientasi secara langsung.

™ Gyroscope

•      Rentang skala penuh - kecepatan sudut maksimum.

•      Chip lebih besar.

•      Harga relatif mahal.

•      Mengukur gerakan rotasi manusia.

•      Digunakan untuk mengukur baik, atau mempertahankan orientasi perangkat

References : 

Deo, F. S. (2011). Bouncing Ball Game Berbasis J2ME dengan Menggunaan Sensor Accelerometer pada Ponsel Blackberry. Surabaya: Jurusan Teknik Informatika Politeknik Elektronika Negri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Febryanto, L. E., Santosa, A., & Yansen. (2011). Sensor Accelerometer. Bandung: Jurusan Teknik Eletro Fakultas Teknik Universitas Kristen Maranatha.

Fraden, J. (200). Handbook of Modern Sensors Pysics, Designs, and Applications. California: Springer-verlag.

Wiryadinata, R. (2009, april 29). Prinsip Kerja sensor acelerometer. Retrieved oktober 31, 2013, from Romi Wiryadinata Transformasi menuju kebahagiaan dunia akhirat: wiryadnata.web.id

 Credit by : Dewi Aysiah, Eko Setyawan, Adha Nur Hidayat.