DPL.15 Sistem Instrumentasi Pengukuran

  SENSOR OPTIK Anisa Ulya Darajat, S.T, M.T.

Tujuan Pembelajaran

• • Menjelaskan Radiasi EM dalam hal frekuensi, panjang gelombang, kecepatan

  propagasi, dan spektrum
• Mendefisinikan energi dari Radiasi EM dalam hal Daya, Intensitas, dan efek divergensi
• Membandingkan tipe-tipe photo detector seperti photoconductive, photovoltaic, dan photoemissive
• Menjelaskan prinsip dan struktur radiasi total dan pyrometer optik
• Membedakan incandecent, atomic, and sumber cahaya laser berdasarkan karakteristik cahayanya

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  INTRODUCTION [1]

INTRODUCTION [2]

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Sensor Optik Indikator

  Indikator akan menyala jika sensor optik

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Video Pengenalan Radiasi EM Frekuensi dan Panjang Gelombang

• Radiasi EM adalah suatu energi yang selalu bergerak melintasi ruang
• Frekuensi merepresentasikan osilasi per detik ketika

  TUTUP HOME CREDIT

  energi berpindah dari satu titik ke titik yang lain

• Panjang gelombang adalah jarak spasial antara dua successive maxima and minima dari gelombang

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO

  dalam arah lintasan

  OPTICAL Kecepatan Radiasi

• Kecepatan Radiasi c = λ.f

  8 c = kecepatan radiasi di ruang hampa = 2.998 X 10 m/s

  TUTUP HOME CREDIT

  λ = panjang gelombang (m) f = frekuensi (Hz)

• Ketika melintasi ruang bukan hampa, maka

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  kecepatan radiasi akan berubah mengikuti nilai

  INTRO

  indeks refraksi n =

  OPTICAL Spektrum Radiasi EM

• Pada gambar disamping, sebuah gelombang dengan frekuensi 10 GHz juga berarti memiliki panjang gelombang 30 mm

  TUTUP HOME CREDIT

• Satuan lain yang biasa digunakan adalah Angstrom Ӑ
• 10

  yang mewakil10 m

• Dua gelombang yang peling sering dimanfaatkan

  EM PHOTO

  adalah cahaya tampak (400-760 nm) dan infra merah RADIATION

  DETECTOR

  INTRO

  (0,76 μm – 100 μm)

• Selanjutnya jika ada penyebutan cahaya, maka yang

  OPTICAL Karakteristik Cahaya

• Radiasi EM terpancarkan secara diskrit, sejumlah unit energi yang dipancarkan dalam satu frekuensi tertentu biasa disebut foton

  TUTUP HOME CREDIT

• Jumlah energi yang terkandung dalam foton dirumuskan : ℎ.

  W = h.f p

  =

  EM PHOTO

  λ

  RADIATION DETECTOR

  INTRO

  W = Energi Foton (Joule) p

• 34

  h = konstanta planck = 6.63 X 10 J f = frekuensi (Hz)

  OPTICAL

  Energi

• Dalam dunia praktis, perhitungan energi tidak lagi dilihat bahwa radiasi EM bersifat diskrit, melainkan lebih dilihat sebagai sekumpulan energi yang terkandung pada

  TUTUP HOME CREDIT

  rentang tertentu

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL Daya Radiasi EM

• Karena radiasi adalah energi yang bergerak, maka deskripsi yang lebih tepat adalah energi setiap detik yang dibawa oleh foton. Biasa dinyatakan dalam Watt (Joule/sekon). 10 W

  TUTUP HOME CREDIT

  berarti energi sebesar 10 Joule yang dikeluarkan dalam satu detik

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL Intensitas Radiasi EM

• Dalam dunia praktis, penjabaran energi yang lebih jelas lagi adalah intensitas, yakni jumlah daya yang dipancarkan pada satu area tertentu. Dirumuskan sebagai berikut :

  TUTUP HOME CREDIT

  I =

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO

  P = Daya (Watt)

  OPTICAL Intensitas vs Divergensi

• Divergensi adalah perubahan intensitas ketika radiasi berpindah pada suatu garis lurus dari satu titik ke titik lainnya.

  TUTUP HOME CREDIT

• Persebaran radiasi akan membuat nilai intensitas menurun sejalan dengan jauhnya jarak yang ditempuh berbanding lurus dengan sudut

  EM PHOTO

  RADIATION DETECTOR

  perpindahan ( θ).

  INTRO

• Nilai intensitas pada setiap area dengan jarak R adalah :

  OPTICAL Photometry

• Untuk dapat melihat, mata manusia

  2 membutuhkan paling tidak sejumlah 1 W/m intensitas cahaya dan spektrum gelombang yang memadai (gelombang cahaya tampak).

  TUTUP HOME CREDIT

  Jadi semisal ada suatu cahaya infra merah

  2 dengan intensitas sejumlah 1 W/m maka

  EM

  cahaya ini tetap tidak akan dapat dilihat

  PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL

• Sensor yang bekerja pada area gelombang Infra merah, cahaya tampak, sampai sedikit ultraviolet biasa disebut sebagai photodetector
• Macam-macam photodetector memperhatikan karakteristik:
• photoconductive / photoresistive : intensitas  konduktivitas semikonduktor  resistansi
• Photovoltaic Intensitas cahaya  perubahan elektron  voltage
• Photodiode Intensitas cahaya  arus reserve
• Phototransistor Intensitas cahaya  arus reserve pada kaki basis

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Photodetector

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Video PhotoConductive

  PhotoConductive

• Prinsip Kerja : intensitas cahaya  konduktivitas semikonduktor  resistansi
• Ketika sebuah semikondukor PhotoConductive menerima

  TUTUP HOME CREDIT

  berakibat menurunkan nilai resistansi semikonduktor. Sehingga dapat dikatakan bahwa nilai resistansi berbanding terbalik intensitas cahaya yang masuk pada PhotoConductive. Un

  EM

  melakukan eksitasi, sebuah photon harus memiliki minim

  PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO yang setara dengan gap energi pada semikonduktor tersebut.

  Dirumuskan : ℎ.

  E = c

  = ΔW g

  λ

  OPTICAL Struktur Cell PhotoConductive

• Untuk menghindari nilai tahanan yang terlalu tinggi, seperti dirumuskan : ρ.

  R =

  TUTUP HOME CREDIT

  R = nilai resistansi ρ = resistivitas l = panjang cell

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO

  A = luasan permukaan cell

• Dapat digunakan struktur seperti pada gambar disamping

  OPTICAL Karakteristik Cell PhotoConductive • Nilai resistansi ternyata bersifat tidak linier terhadap nilai intensitas cahaya.

  Sehingga tidak semua semikonduktor cocok menjadi pil implementasi di lapangan.

  TUTUP HOME CREDIT

• Tabel dibawah ini adalah beberapa tipe semikonduktor yang sering di di lapangan berikut dengan nilai karakteristiknya
• CdS dan CdSe lebih sering digunakan dilapangan kar

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO

  PbSe memiliki efek termal yang kurang baik

  OPTICAL

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Video Photovoltaic

  Photovoltaic

• Photovoltaic secara fisik berupa kumpulan dioda-pn, umumnya bagian atas adalah layer positif dan bagian bawah adalah layer negatif

  TUTUP HOME CREDIT

• Cara kerjanya : photon menabrak layer positif dan diserap oleh elektron pada layer negatif. Hal ini akan

  EM PHOTO

  menyebabkan adanya elektron bebas sehingga

  RADIATION DETECTOR

  INTRO

  dengan menambahkan bahan konduktif dibawah layer negatif maka akan dihasilkan tegangan.

  OPTICAL

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Karakteristik Cell Photovoltaic

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Video Photodiode

  Photodiode

• Terbuat dari bahan yang sama dengan photovoltaic, berupa dioda pn junction
• Cara kerja : perubahan intensitas cahaya akan menyebabkan

  TUTUP HOME CREDIT

  perubahan besaran arus reserve

• Photodiode memiliki keunggulan response time yang

  EM PHOTO

  sangat cepat (nano sekon) dan secara fisik sangat kecil RADIATION

  DETECTOR

  INTRO

  sehingga sering ditambahkan casing untuk memfokuskan cahaya pada pn junction

  OPTICAL Phototransistor

• Merupakan pengembangan photodiode dengan arus dimasukkan pada collector-base junction untuk menghasilkan arus yang diamplifikasi pada collector-emitter junction

  TUTUP HOME CREDIT

• Tidak secepat photodiode namun masih bisa dikatakan memiliki response time sangat cepat

  EM PHOTO

  (dalam mili sekon)

  RADIATION DETECTOR

  INTRO

• Perbedaan intensitas cahaya akan menyebabkan perubahan arus kolektor yang dapat dijadikan

  OPTICAL Photoemissive

• Dikembangkan sejak lama dan merupakan salah satu detektor paling sensitif
• Secara fisik terdiri dari sebuah tabung kaca yang

  TUTUP HOME CREDIT

  didalamnya ada katoda yang dilapisi dengan photoemissive, dan anoda yang digroundkan pada sebuah kabel

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO

• Prinsip kerjanya : cahaya menyinari katoda menyebabkan perbedaan elektron dan menghasilkan tegangan

  OPTICAL Photoemissive Ganda

• Sebuah tabung yang terdiri dari katoda dengan tegangan negatif yang relatif tinggi, beberapa dinoda dengan tingkat tegangan yang berbeda-beda dimana semakin menuju anoda semakin negatif.

  TUTUP HOME CREDIT

• Hal ini menimbulkan perpindahan elektron yang lebih banyak dari satu dinoda ke dinoda berikutnya

  EM PHOTO

  sehingga tegangan yang dihasilkan lebih tinggi dan

  RADIATION DETECTOR

  INTRO

  photoemissive lebih sensitif

  OPTICAL Pyrometry

• Pyrometry merupakan sebuah metode untuk pengukuran temperatur
• Metode yang digunakan yaitu menggunakan radiasi oleh objek yang akan diukur temperaturnya

  TUTUP HOME CREDIT

• sedangkan alat pengukur temperatur disebut Pyrometer

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL

  Pyrometer

• Merupakan sebuah alat non-kontak yang mampu mengukur temperatur sebuah objek dimana emisi puncak radiasi berada pada bagian merah dari spectrum cahaya tampak

  TUTUP HOME CREDIT

• Mampu mengukur radiasi panas dalam jangkauan temperatur yang luas

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL

• radiasi EM dihasilkan oleh percepatan muatan listrik
• penambahan energi thermal pada suatu objek akan menghasilkan gerak getar dari molekul objek
• objek dengan energi thermal tertentu mengemisikan radiasi EM oleh karena pergerakan muatan

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Radiasi Thermal [1]

  [2] Radiasi Thermal

Radiasi Benda Hitam

  UV

Radiasi Total

  4 E = emisi radiasi dalam J/s per unit area

  2 atau

  / T = temperatur (K) dari objek Klasifikasi Pyrometer Br

  TUTUP HOME CREDIT

  Pyromet Pyrometer

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO

  Narrowband Pyromet

  OPTICAL

  [1] Broadband Pyrometers

• Standar jangkauan sekitar 32 to 1832°F (0 to 1000°C)
• Akurasi ±5° sampai ± 0,5°

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Broadband Pyrometers [2]

Infrared Pyrometer

   Rentang spektrum infra red dari 0.22µm sampai 17µm dan biasanya yang digunakan dalam rentang 2 sampai 7µm.

   Biasanya dapat digenggam, berbentuk seperti pistol yang diarahkan ke sebuah objek kemudian temperatur dari objek tersebut dapat diukur.

  [3] Broadband Pyrometers

Aplikasi IR pyrometer

• Steel industries

  TUTUP HOME CREDIT EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL

  [4] Broadband Pyrometers

Aplikasi IR pyrometer

• Glass industries

  TUTUP HOME CREDIT EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL

  [1] Narrowband Pyrometers

• Bergantung pada variasi dalam emisi energi radiasi monochromatic dengan temperatur.
• Biasa di sebut juga optical pyrometer

  TUTUP HOME CREDIT

• Jangkauan 500K – 3000K
• Akurasi ±5 dan ±10

  EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO OPTICAL

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Narrowband Pyrometers [2]

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Narrowband Pyrometers [3]

  Sumber Optik Sumber Cahaya Lampu Pijar

  TUTUP HOME CREDIT

  Sumber Cahaya Konvensional

Sumber

  Sumber Cahay

  EM PHOTO

  Atomic

  RADIATION DETECTOR

  INTRO

Optik

  LASER

  OPTICAL

• Sumber Cahaya Lampu Pijar

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Sumber Cahaya Konvensional [1]

  [2] Sumber Cahaya Konvensional

• Sumber Cahaya Atom

  TUTUP HOME CREDIT EM PHOTO RADIATION DETECTOR

  INTRO

  Aplikasi : Red Neon ‘sign’

• OPTICAL
• Red Neon ‘Sign’

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Sumber Cahaya Konvensional [3]

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Sumber Cahaya Konvensional [4]

• Video pembuatan Red Neon ‘Sign’

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Sumber Cahaya Konvensional [5]

• Fluorescent lamp

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Sumber Cahaya Konvensional [6]

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  LASER [1]

• Tabel Karakteristik LASER

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  LASER [2]

• Proses Pemeriksaan Label

  TUTUP HOME CREDIT OPTICAL

  INTRO EM RADIATION PHOTO DETECTOR

  Penerapan

  Aplikasi

• Pengukuran Turbidity

  Pengukuran Jarak

• Pengukuran Jarak Jarak dapat diukur dengan mengukur waktu memancarnya light pulse yang tersebar dari sebuah objek yang jauh.

  =

  2 D = jarak ke objek (m) c = kecepatan cahaya (m/s) T = waktu untuk light round trip (s) SEKIAN Terima Kasih