Faktor gage K = l
l R
R
……………………….2
dimana : K = Faktor gage
∆R = Perubahan tahanan gage ∆l = 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
∆R pada sebuah konduktor yang panjangnya l dapat dihitung dengan menggunakan persamaan bagi tahanan dari sebuah konduktor
yang penampangnya serba sama, yaitu :
R = ρ
Luas Panjang
=
2
4 d
xl
………………………..3
dimana :
ρ = tahanan spesifik dari bahan konduktor l = panjang konduktor
d = diameter konduktor
II.5 Jenis jenis Strain Gage
II.5.1 Metal Wire Strain Gage
Universitas Sumatera Utara
Metal Wire Strain Gage adalah gage yang terdapat dalam konfigurasi yang bisa diikat, permukaan bisa di transfer dan bisa di lebur, dan ini adalah jenis awal
dari Strain Gage yang sudah berkembang. Wayar yang dipakai pada gage tersebut biasanya berdiameter kurang dari 0,025 mm. Pemasangan gage ini biasanya
diikat atau ditempelkan pada sebuah metal bar basis stabil dan diletakkan antara dua piringan logam tipis dan dikelilingi oleh bahan penyekat, kemudian
dilakukan encapsulasi dengan mengetatkan dua piringan bersamaan disekitar ujung gage.
Permukaan yang bisa di transfer di maksudkan untuk dihilangkan secara teliti dari carriernya dan kemudian ditempatkan pada permukaan yang telah
diukur dan ini cenderung menekan kemungkinan-kemungkinan kebocoran arus dari wayar ke permukaan. Gambar 2.2 adalah bentuk-bentuk dasar dari Metal
wire Strain gage yang bisa diikat, dan wayar dirangkai dengan pola zig-zag.
a b c
Gambar 2.2 Bentuk-bentuk dasar dari Metal Wire Strain Gage.
a Konfigurasi dasar.
b Desain pelindung gage.
Universitas Sumatera Utara
c Desain pelindung gage yang dapat di pindah- pindahkan.
Gambar 2.2.b dan Gambar 2.2.c menunjukan gage yang dapat di transfer. 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
Diantara material-material yang dipakai adalah paduan alloy tembaga– nikel constantan yang sering dipakai pada gage elongasi tinggi. Paduan nikel-
kronium dan paduan besi kronium–aluminium sering dipakai untuk applikasi pada suhu tinggi ataupun yang sangat rendah. Seleksi material wayar dengan
koefisien suhu memungkinkan dua material yang akan dipakai dapat bekerja lebih efisien, untuk satu gage masing–masing material itu memiliki koefisien suhu
dengan besaran yang sama. Gage konpensasi demikian bisa dibuat dengan menggunakan dua grid parohan yang dihubungkan secara seri dan terbuat dari dua
material. Material ini berupa tembaga dan nikel, akan tetapi yang sering dipakai adalah nikel–cled dan cled-baja tahan karat. Adapun material lain yang sering
dipakai adalah nikel-cled, paduan nikel–kronium dan berylium. Penghantar yang digunakan Strain Gage terdiari dari dua jenis dasar yaitu
penghantar permanen yang dipakai untuk gage yang bisa diikat, dan penghantar temporer atau sementara dipakai untuk gage dengan permukaan yang bisa
Universitas Sumatera Utara
ditransfer. Plastik yang bisa dipatahkan seperti Vinyl sering dibuat dalam bentuk rangka digunakan untuk gage wayar, jenis inilah yang paling umum dipakai untuk
gage permukaan yang bisa ditransfer. Carrier permanen biasanya sangat tipis ketebalannya kurang lebih 0,03mm.
Penggunaan kertas nitrocellulosa biasanya untuk gage yang memiliki batas suhu moderat, pemakaian kertas phenolik infrekmanated dapat meningkatkan batas
suhu operasi, pemakaian serat kaca sebagai limenasi juga akan meningkatkan batas suhu operasi. Ressin polimida memberikan carrier yang cocok untuk suhu
yang sangat rendah ataupun suhu yang sangat tinggi.
II.5.2 Strain Gage Metal foil Penyaringan dalam teknik photo acting memungkinkan perkembangan
Strain Gage Metal foil menjadi suatu alat yang tidak memakan banyak biaya, jenis gage ini sekarang dipakai secara luas yang pada dasarnya bukan dikarenakan
biaya yang relatif murah, tetapi karena Strain gage Metal foil memberikan keuntungan yang berarti. Strain gage Metal foil ini bisa dibuat dengan beberapa
ukuran yang sangat kecil, Strain gage Metal foil ini menunjukkan stabilitas yang lebih besar selama penguatan tetap diberikan, gage ini juga lebih stabil selama
eksprosur terhadap suhu, dan dikarenakan permukaan yang besar menyebabkan gage ini mampu mengikuti variasi suhu dari permukaan yang diukur.
Gage biasanya dibuat dengan photo ecting tipis, perlakuan panas alloy– metal menjadikannya memiliki ketebalan sekitar
μm, proses ini melibatkan pembuangan bahan yang tidak diinginkan sehingga bentuk grid yang sesuai dapat
diperoleh. Material foil, carrier dan lead pada dasarnya sama dengan bentuk yang
Universitas Sumatera Utara
digambarkan untuk gage wayar. Banyak gage foil tidak dilengkapi dengan lead, melainkan dilengkapi dengan tab besar integral dengan pola grid yang terkadang
dilengkapi dengan titik lebur, kemudian lead bisa diikat oleh pemakai. Metal Foil Strain Gage terlihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Metal Foil Strain Gage
Gambar 2.3 menunjukkan beberapa contoh yang keseluruhannya memiliki ukuran yang dan aplikasi yang berbeda. Jenis-jenis dari Metal Foil Strain Gage
lain dapat dilihat pada Gambar 2.4, diantaranya Rosette 90
o
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.
Universitas Sumatera Utara
Rosette 45 memberikan resolusi anguler yang lebih besar dari rosette 60
, namun demikian hal ini dapat diketahui apabila arah regangan utama diketahui.
Persamaan–persamaan serta program komputer telah dikembangkan untuk penentuan tekanan dan regangan dasar apabila rosette dipakai.
a b
c
d e
f
Gambar 2.4 Macam-macam Rosette untuk Gage Foil
a Rosette dua elemen foil datar 90
o
. b
Rosette dua elemen foil geser datar 90
o
. c
Rosette dua elemen tumpukan 90
o
. d
Rosette tiga elemen 45
o
yang persegi empat timpang tindih.
e Rosette tiga elemen 45
o
.
Universitas Sumatera Utara
f Rosette tiga elemen foil datar 60
o
.
II.5.3 Strain gage Semikonduktor Sejak eksperimen dilakukan pada tahun 1950, telah ditemukan bahwa
pengaruh piezoresistiv jauh lebih besar pada semikonduktor atau konduktor, sejumlah laboratorium pemerintah maupun komersial melakukan pengembangan
terhadap Strain Gage Semikonduktor. Sejak itulah berbagai jenis Strain Gage serupa dengan karakteristi performa yang memuaskan dan bisa dikontrol telah
tersedia dipasaran yang menyebabkan pengetahuan mengenai alat ini makin meningkat.
Faktor gage dari Strain Gage Semikonduktor adalah antara 50 sampai 200 dan biasanya adalah 125, sedangkan faktor gage dari Strain Gage logam tidak
lebih dari 6 dan biasanya sekitar 2. Namun demikaian Strain Gage Semikonduktor cenderung lebih sulit dipakai pada permukaan yang akan diukur, karena pada
dasarnya terbuat dari silikon tipis yang mudah pecah. Batas pengukuran regangannya baisanyan terbatsa sekitar 3000
μm, sedangkan batas dari Strain Gage metal mencapai 40.000
μm. Perubahan tahanan Strain Gage Semikonduktor dengan regangan yang
dipakai sifatnya tidak linier, suhu operasi maksimum lebih terbatas dan konpensasi suhu lebih sulit. Karena kemampuan memberi sinyal keluaran dengan
respon pada regangan kecil, Strain gage Semikonduktor sedikit digunakan terutama dalam transduser. Keunggulannya hanya pada percepatan, daya, dan
tekanan yang membuat elemen–elemen jauh lebih rendah difleksinya, misalnya diafragma dan tiang pembengkok daripada gage logam yang memungkinkan
Universitas Sumatera Utara
pemakaian stifer. Pada dasarnya elemen pengindera jauh lebih stabil dan memberikan respon dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi. Gambar 2.5
menunjukkan jenis–jenis konfigurasi Strain gage Semikonduktor.
Gambar 2.5 Jenis-jenis konfigurasi Strain Gage Semikonduktor
Permukaan gage yang bisa ditransfer ataupun enkapsulasi pada carrier Rosette dual element ataupun jembatan penuh bisa dibuat sehingga bisa
mengkompensasi sendiri untuk regangan. Dimensinya berkisar antara 1 sampai 5 mm, material untuk lead biasanya terbuat dari emas, perak wayar ataupun pita
nikel. Kompensasi untuk potensial termolistrik yang dibangkitkan disekitar gage silikon cukup penting karena silikon mengembangkan potensial termolistrik
yang sangat tinggi. Dengan menghamburkan doping secara langsung kedalam beberapa bagian
wafer silikon ataupun diafragma memungkinkan untuk mengolah elemen–elemen
Universitas Sumatera Utara
pengindera tranduksi yang komplit. Karena densitasnya yang rendah dan kekuatan silikon yang tinggi, maka elemen–elemen demikian dikenal dengan frekuensi
natural. Penyesuaian dan kompensasi gage bisa dipengaruhi oleh kontrol doping yang tepat.
II.5.4 Strain Gage Aplikasi Khusus Salah satu jenis dari Strain Gage aplikasi khusus adalah Gage Fatigue-life
yang terbuat dari konstantan kuat dengan carrier elongasi tinggi digunakan apabila regangan hasil akhir yang akan diukur yaitu yang terjadi setelah spesimen
tes dimuati diluar titik hasil. Gage tersebut memiliki range pengukuran regangan antara 10 dan 20 anatara 100.000 dan 200.000
μe. Gage ini akan menunjukkan perubahan nol pada regangan siklus besar.
Gage Fatigue-life memiliki bentuk seperti Srain gage foil dan dipasang dengan cara yang sama, Material foil dipilih dan diuji untuk memberikan
karakteristik masing–masing transduser. Pemuatan siklus akan mengakibatkan perubahan tahanan yang tidak beraturan. Nilai ohm perubahan resistansi
tergantung pada besaran regangan yang dipakai selama siklus pemuatan. Jika regangan dipertahankan pada besaran konstan untuk pengujian komplit dimana
spesimen difokuskan pada pemuatan siklus, perubahan tahanan akan berakumulasi dan perubahan komulatif tahana gage adalah sebuah fungsi dari
sejumlah siklus pemuatan. Karakteristik gage harus dipilih untuk menyesuaikan karakteristik material spesimen pada range daerah regangan yang akan dipakai.
Pada beberapa aplikasi lainnya, seperti pada pengujian struktur besar, adalah penting untuk mendapatkan gage Fatigue-life yang lebih besar daripada yang
Universitas Sumatera Utara
dialami oleh permukaan yang diukur. Multiplier mekanis Strain multiplier kemudian bisa dipakai. Multipiler ini mengandung gage Fatigue-life pada bagian
pusat desain khusus, kemudian diikatkan pada permukaan yang diukur. Multipikasi regangan antara 2 kali dan 20 kali, tergantung pada pilihan multiplier,
umumnya telah tersedia Strain Gage reguler biasa yang dimasukkan kedalam multiplier.
Data induktif untuk mengetahui kerusakan Fatigue-life berikutnya bisa didasarkan pada hasil pengukuran sebelumnya, dimana sensor dipasang pada
spesimen replika yang didapat dari permukaan yang telah diukur, kemudian disikluskan pada sebuah mesin penguji, sehingga kerekatan yang terjadi tidak ada
perubahan tahanan komulatif pada gage Fatigue-life pada saat kerekatan dimulai. Gage dipasang pada sebagian permukaan yang diukur, dimana keretakan
diharapkan terjadi dengan konduktor yang menghubungkan keretakan yang diharapkan itu. Jika keretakan merambat dibawah gage, maka setiap konduktor
dihubungkan secara paralel, tahanan yang diukur pada tab bus menigkat bila setiap bagian sirkuit pecah. Bentuk dari Strain Gage aplikasi khusus dapat dilihat
pada gambar 2.6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Strain Gage Apalikasi Khusus II.6 Karakteristik Desain
Dimensi gage tidak hanya meliputi panjang gage dan lebar grid, akan tetapi keseluruhan panjang, luas dan terminal termasuk kedalam dimensi dari gage itu
sendiri. Untuk gage multi element rosette ataupun kombinasi gage aktif dummy sifat dan tujuan pola gage harus digambarkan. Bila gage adalah sebuah
kompensasi suhu untuk koefisien muai termal dari sebuah permukaan yang diukur, maka material permukaan yang akan diukur harus dijelaskan juga.
Tahanan gage ditunjukkan dalam ohm dengan sebuah toleransi, untuk setiap gage maupun untuk masing–masing gage dalam rosette. Arus eksitasi maksimum
yang diizinkan untuk sebuah gage harus diketahui. Untuk gage yang bisa dilebur dan gage enkapsulasi, resistansi insulasi juga harus dijelaskan.
Faktor gage selalu ditunjukkan untuk sebuah besaranya tekana terhadap Strain Gage, bersamaan dengan toleransinya. Range regangan harus ditunjukkan
dalam persen dengan memahami bahwa range pada toleransi linieritas yang dijelaskan, histerisis akan berlaku. Selain itu kemampuan over range bisa
diketahui batas regangan. Sensitivitas juga harus di jelaskan. Range opersi selalu dijelaskan untuk sebuah gage ataupun rosette dan pengaruh termal pada faktor
gage, tahanan gage harus ditunjukkan, biasanyan diartikan untuk eksposur jangka pendek.
Pengaruh pemuaian panas Strain Gage dan pengaruh muai panas difrensial antara gage dan permukaan yang diukur sering diartikan sebagi “regangan
nyata” bahkan untuk jenis gage kompensasi suhu sendiri untuk pemuaian thermal. Sebenarnya regangan nyata maupun kesalahan gradien suhu bisa
Universitas Sumatera Utara
dijelaskan dengan keakuratan gage yang dipasang, dengan metode tertentu pada spesimen yang telah diketahui dengan baik. Defenisi berikut bisa dipakai pada
Sratin Gage untuk sistem – sistem pengukuran regangan. 1.
Indicated Strain adalah keluaran dari sebuah Strain Gage yang dipasang dan setelah kesalahannya dikoreksi dengan sistem
pengukuran. 2.
Real Strain adalah deformasi pengukuran yang diukur karena muatan yang dipakai maupun perubahan thermal.
3. Apparent Strain adalah beda antara regangan nyata dan regangan yang
ditunjukkan. 4.
Thermal Strain adalah doformasi spesimen yang belum diregangkan karena perubahan suhu.
5. Mechanical Strain adalah beda antara regangan nyata dan thermal.
6. Thermal out put adalah hasil regangan yang ditunjukkan dari regangan
nyata dan regangan thermal. Definisi–definisi ini sangat penting guna memahami beberpa fenomena yang
terjadi selama pengukuran regangan aktual, tetapi bukan yang ditunjukkan dalam spesifikasi gage.
Pada proses pembuatan Strain Gage penyesuaian koefisien tahanan terhadap temperatur menjadi hal utama yang harus diperhatikan untuk memperoleh hasil
pengukuran yang akurat, karena hampir semua konduktor logam memiliki koefisien tahanan terhadap temperatur yang positif , artinya tahanan akan
bertambah terhadap kenaikan temperatur. Hanya beberapa bahan saja seperti karbon dan germanium, memiliki koefisien tahanan terhadap temperatur yang
Universitas Sumatera Utara
negatif, yang menandakan bahwa tahana tersebut berkurang terhadap kenaikan temperatur.
. Material-material dasar yang digunakan dalam pembuatan Strain Gage menggunakan besi, nikel, tembaga, perak dan platina, akan tetapi dengan
berkembangnya pengetahuan tentang alat ini bahan untuk membuat Strain Gage sudah berupa material-material paduan alloy, cotohnya tembaga-nikel, nikel-besi
dan lain-lainnya yang telah disesuaikan dengan kebutuhan, seperti yang telah dibahas pada bab sebelumnya bab 2.2. Material-material ini memiliki koefisien
tahanan temperatur yang positif . Gambar 2.7 memperlihatkan variasi tahanan terhadap temperatur untuk berbagai bahan yang sering digunakan.
Tata cara dan pola penyusunan kawat atau foil berubah sesuai dengan pemakaian. Beberapa bonded gage ikatan gage dapat berukuran sekecil18 inci x
18 inci, walaupun umumnya mereka agak lebih besar di produksi di pabrik dengan ukuran maksimal 1 inci panjang x ½ inci lebar. Dalam pemakaian
yang lazim, Strain Gage disemen ke struktur yang regangannya akan diukur. Masalah pemberian penyatuan ikatan yang baik antara gage dan struktur sangat
sulit dilakukan. Bahan pelekat harus menempelkan gage dengan sangat ketat terhadap struktur namun harus tetap memiliki elastisitas yang cukup untuk
memberikan regangan tanpa kehilangan sifat-sifat melekatnya. Bahan perekat juga harus tahan terhada temperatur, kelembaban dan kondisi lingkungan lainnya.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.7. Tahanan relatif terhadap temperatur untuk beberapa logam murni.
Universitas Sumatera Utara
BAB III JEMBATAN TIMBANG
