Desain dan Pengembangan Sensor Magnetik Fluxgate Sensitivitas Tinggi Menggunakan Model Ellips-Multicore Double Pick-up dan Aplikasinya (Tahun ke 1) - Universitas Negeri Padang Repository

I

Bidang Ilmu Teknologi

LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING
(TAHUN KE I)

Desain dan Pengembangan Sensor Magnetik Fluxgate
Sensitivitas Tinggi Menggunakan Model Ellips-Multicore
Double Pick-up dan Aplikasinya.
Peneliti :
Drs. Hufri M.Si (Ketua)
Yulkifli,S.Pd., M.Si (Anggota)
Prof. Dr. Mitra Djamal (Anggota)
Dibiayai oleh Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat,
Ditjen Dikti Depdiknas FU Melalui Proyek Peninggkatan Perguruan
Tinggi Universitas Negeri Padang dengan Surat Perjanjian Kerja
Nomor : 1 72 1/H35/KU/DIPA/2009

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI PADANG

DESEMBER 2009

HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHlR

1.

Judul

2

Ketua Peneliti

'I
i

: Desain dan Pegembangan

Sensor Magnetik
Fluxgate Sensitivitas Tinggi Menggunakan Model
Ellips-Multicore Double Pick-up dan Aplikasinya.

a. Nama Lengkap

: Drs. Hufri M.Si

b. Jenis Kelamin

: Laki-laki

c. NIP

:

d. Jabatan Fungsional

: Lektor

e. Jabatan Struktural

: -

f. Bidang Kealilian

:

g. Fakultas / Jurusan

: FMIPA 1 Fisika

h. Perguruan Tinggi

: Universitas Negeri Padang

19660413 199303 1 003

Fisika Instrumentasi dan Elektronika

i . Tim Peneliti

No

1

Bidang Keahlian

Nama dan Gelar
Akademik

Yulkifli, S.Pd., M.Si

Fakultasl
Jurusan

Fisika Instrumentasi

MIPA/
Fisika
MIPA/
Fisika

& Elektronika

2

Dr.-Ing. Mitra Djamal

Fisika Instrumentasi
& Elektronika

3.

I

I
I

Perguruan
Tinggi
Universitas
Negeri Padang

ITB Bandung

Pendanaan dan Jangka waktu penelitian :
a. Jangka waktu Penelitian yang diusulkan

: 2 tahun

b. Jumlah biaya yang diajukan ke Dikti

: RP. 99.922.000,-

c. Biaya yang disetujui tahun ke I

: RP. 44.500.000

1

Padang, 7 Desember 2009
Ketua Peneliti,
Universitas Negeri Padang

u-

0423 197603 1003

i

Drs. Hufri, M.Si
NIP. 19660413 199303
Negeri Padang

I

A. LAPORAN HASIL PENELITIAN
RINGKASAN DAN SUMMARY

1

Desain dan Pegembangan Sensor Magnetik Fluxgate Sensitivitas Tinggi Menggunakan
Model Ellips-Muliicore Double Pick-up dan Aplikasinya.

"'

'

1
i
1
I

~ u f r i " '~ulifli"',
,
Mitra ~ j a m a l ~ )
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang
Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Bandung

Telah berhasil dikembangkan sensor magnetik fluxgate sensitivitas tinggi menggunakan
teknik harrnonisa kedua menggunakan model ellip multi-core dengan pick-up ganda.
Penelitian ini yang direncanakan selama dua tahun secara bertahap, yang meliputi: tahap
pertama: mendesain elemen sensor model ellip multi-core double pick-up dengan jumlah

lilitan pick-up dan inti bervariasi, pembuatan rangkaian pengolah sinyal dan interfacing
untuk peningkatan sensitivitas dan resolusi sensor. Pada tahun I telah diperoleh rangkaian
pengolah sinyal (RPS) bekerja pada eksitasi optimum 4 kHz dengan daya rata-rata 10 mW
pada tegangan eksitasi 5 Volt. Pengujian pengaruh jumlah lilitan dan jumlah inti
ferromagnetik telah dilakukan dengan hasil dimana jumlah lilitan sebanding dengan
sensitivitis tetapi berbanding terbalik dengan daerah kerja sensor, sedangkan pengaruh
jumlah inti sebaliknya. Karakterisasi keluaran sensor di peroleh sensitivtias -101 mV/pT
dan resolusi -25 nT dengan rentang daerah linier *I0 pT. Hasil ini di optimasi
menggunakan Low Pas Filter (LPF) orde-6 sehingga resolusi dapat diperbaiki menjadi 7.6
nT pada rentang kerja *20 pT. Berdasarkan hasil ini terbuka peluang untuk diaplikasikan
dalam berbagai pengukuran antara lain pengukuran jarak orde kecil (pm) dan pengukuran
getaran pada mesin industri manufaktur. Tahap kedua: pembuatan prototip sensor getaran,
pengujian karakteristik sensor terhadap sumber pengetar atau objek, dan aplikasi pada
getaran mesin insdustri manufaktur sebuah objek. Dalam penelitian ini akan dilakukan
kerjasama dengan KK FTETI ITB dan KIM LIP1 Batan Serpong. Diharapkan dapat
dihasilkan prototip sensor fluxgate dengan presisi dan akurasi tinggi yang kompatibel
untuk menjadi sensor getaran. Dengan demikian, penelitian pegembangan desain elemen
sensorj7uxgate multicore, kumparan pick-up ganda, resolusi tinggi dan aplikasinya untuk
sensor getaran memiliki unsur kebaharuan dan akan berdampak pada perkembangan
penelitian dan pengembangan industri yang berbasis kepadanya baik Indonesia maupun di

dunia. Disarnping memiliki arti ekonomis yang sangat besar, hasil penelitian ini juga
memiliki arti kebanggaan nasional karena riset ini sangat memberi peluang kepada
Indonesia untuk ikut berbicara dalam tingkat dunia.

PENGANTAR
Kegiatan penelitian dapat mendukung pengembangan ilmu pengetahuan serta terapannya.
Dalam ha1 ini, Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang berusaha mendorong dosen untuk
melakukan penelitian sebagai bagian integral dari kegiatan mengajarnya, baik yang secara
langsung dibiayai oleh dana Universitas Negeri Padang maupun dana dari surnber lain yang
relevan atau bekerja sama dengan instansi terkait.
Sehubungan dengan itu, Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang bekerjasama
dengan Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Ditjen Dikti Depdiknas RI
melalui Proyek Peningkatan Perguruan Tinggi Universitas Negeri Padang dengan surat
perjanjian kerja Nomor: 172l/H35/KU/DIPA/2009 Tanggal 11 Mei 2009 telah membiayai
pelaksanaan penelitian dengan judul Desain dan Pengembangan Sensor Magnetik Fluxgate
Sensitifitas Tinggi Menggunakan Model Ellips-Multicore Double Pick-up dan Aplikasinya
Kami menyambut gembira usaha yang dilakukan peneliti untuk menjawab berbagai
perrnasalahan pembangunan, khususnya yang berkaitan dengan permasalahan penelitian tersebut
di atas. Dengan selesainya penelitian ini, Lembaga Penelitian Universitas Negeri Padang telah
dapat memberikan informasi yang dapat dipakai sebagai bagian upaya penting dalarn

peningkatan mutu pendidikan pada urnumnya. Di samping itu, hasil penelitian ini juga
diharapkan memberikan masukan bagi instansi terkait dalarn rangka penyusunan kebijakan
pembangunan.
Hasil penelitian ini telah ditelaah oleh tim pembahas usul dan laporan penelitian, serta
telah diseminarkan ditingkat nasional. Mudah-mudahan penelitian ini bermanfaat bagi
pengembangan ilmu pada umurnnya, dan peningkatan mutu staf akademik Universitas Negeri
Padang.
Pada kesempatan ini, kami ingin mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang
membantu pelaksanaan penelitian ini. Secara khusus, kami menyampaikan terima kasih kepada
Direktur Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Ditjen Dikti Depdiknas yang telah
memberikan dana untuk pelaksanaan penelitian tahun 2009. Kami yakin tanpa dedikasi dan
kerjasama yang baik dari DP2M, penelitian ini tidak dapat diselesaikan sebagaimana yang
diharapkan. Semoga ha1 yang demikian akan lebih baik lagi di masa yang akan datang.
Terima kasih.
Padang, Desember 2009
.-F .-A e t u a Lembaga Penelitian
' / . .UniversitasNegeri Padang,
z

.'&&mbd Faozan, M.Pd., M.Se.

' -!-. NIP. 19660430 199001 1 001
y\
..

DAFTAR IS1
Halaman
HALAMAN PENGESAHAN

...............................................................

A. LAPORAN HASIL PENELITIAN
RINGKASAN DAN SUMMARY ................................................

..

11

...

PRAKATA ....................................................................................

111

DAFTAR IS1 ......................................................................................

iv

DAFTAR TABEL.............................................................................

vi

DAFTAR GAMBAR ........................................................................

vii

DAFTAR LAMPIRAN

..................................................................

BAB I. PENDAHULUAN ................................................................
A. Latar Belakang ......................................................................
BAB I1. STUD1 PUSTAKA

...................................................................
A. Prinsip Dasar Sistem Sensor Fluxgate ...............................
B. Faktor demagnetisasi terhadap tegangan keluaran sensor .

C.Fluxgate Magnetometer Sebagai Sensor Getaran...............
D. Desain Geometri Struktur Multicore .....................................
BAB. I11. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

.

..........................

A Tujuan Penelitian .....................................................................
B. Manfaat Penelitian

....................................................................
BAB. IV . METODE PENELITIAN .........................................................
A; Desain Rangkaian Pengolah Sinyal ( W S ) Analog Sensor .....

.

B Desain Elemen Sensor Fluxgate dengan Variasi Jumlah Lilitan
Pick-Up

C. Desain Elemen dengan Variasi Jumlah Inti Ferromagnetik ........
BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN

............................................................
A. Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS) ...................................................
B. Konfigurasi jumlah Lilitan Pick-Up Ganda ....................................

C.Konfigurasi Jumlah Inti Ferromagneti

..........................................

D . Pengukuran Respon Sensor Terhadap Medan Magnet Lemah ..

32

BAB. V KESIMPULAN DAN SARAN ..........................................................

.

37

....................................................................................

40

DAFTAR PUSTAKA

B.DRAF ARTIKEL ILMIAH

........................................................................
C. SINOPSIS PENELITIAN LANJUTAN ....................................................

42
43

DAFTAR TABEL
Halaman

Tabel. 1.
Tabel. 2.

Kualitas sensorJluxgate berdasarkan elemen sensor, bahan inti
(core) dan konfigurasi kumparan eksitasi dan pick-up
Tegangan keluaran dan daerah linier untuk konfigurasi lilitan pick-

11

30

DAFTAR GAlMBAR
Halaman

Gambar. 1.

Prinsip pengukuran medan magnet.

Gambar. 2.

Bentuk sederhana sensor magnetik fluxgate

Gambar. 3.

Bentuk sinyal keluaran sensor fluxgate

Gambar. 4.

Skema Diagram Pengolahan Sinyal Sensor

Gambar. 5 .

Model Makanik Sensor Getaran (A) dan Diagram bebas dari
massa (B)

Gambar. 6.

Prinsip Kerja Sensor Fluxgate Sebagai Sensor Getaran

Gambar. 7.

Desain elemen sensor model ellip-multicore double pick-up

Gambar. 8.

Desain elemen sensor oleh Li. X.P

Gambar. 9.

Set-up karakterisasi keluaran sensor

Gambar. 10.

Rangkaian Generator Sinyal sinusiodal eksitasi

Gambar. 11.

Rangkaian MOSFET Sebagai Inverter

Gambar. 12.

Rangkaian Osilator Kristal dan IC CD 4060

Gambar. 13.

Penguat awal sensor yang juga berfungsi sebagai pendiferensial

Gambar. 14.

Op-amp yang berfungsi sebagai buffer sinyal

Gambar. 15.

Rangkaian detektor fasa, ketika keluaran sensor positif

Gambar. 16.

Penguat akhir sensor.

Gambar. 17.

Rangkaian tapis 1010s rendah Sallen-Key

Gambar. 18.

Desain Elemen Sensor Fluxgate pick-up ganda

Gambar. 19.

Desain Elemen Sensor fluxgate dengan variasi inti

Gambar. 20.

Hasil Skematik RPS analog

Gambar. 2 1.

Frekuensi osolator berbentuk gelombang persegi dengan f = 4 kHz

Gambar. 22.

Frekuensi referensi osolator berbentuk gelombang segitiga f = 4
kHz

Gambar. 23.

Respon keluaran penguatan awal

Gambar. 24.

Sinyal yang diamati pada osiloskop ketika melewati op amp
LF4 12 yang berfungsi sebagai buffer

Gambar. 25.

Respon sinyal melewati op-amp LF412 berfungsi sebagai buffer

Gambar. 26.

Penguat akhir

Gambar. 27.

Sinyal keluaran pada rangkaian tapis 1010s rendah
vii

Gambar. 28.

Photo elemen sensor fluxgate dengan konfigurasi lilitan pick-up

Gambar. 29.
Gambar. 30.

Hasil pengukuran untuk konfigurasi lilitan pick-up (daerah
saturasi)
Hasil pengukuran untuk konfigurasi lilitan pick-up (daerah linier)

Gambar. 3 1.

Induktansi diri untuk konfigurasi jumlah inti sensor

Gambar. 32.

Faktor demagnetisasi untuk konfigurasi jumlah inti sensor

Gambar. 33.
Gambar. 34.

Pengaruh jumlah inti ferromagnetik terhadap tegangan keluaran
sensor
Respon tegangan keluaran sensor untuk daerah *200 pT

Gambar. 35.

Daerah linier pengukuran sensor untuk daerah 10 pT

Gambar. 36.

Kesalahan absolut keluaran sensor

Gambar. 37.

Kesalahan relatif keluaran sensor

Garnbar. 3 8.

Respon LPF untuk orde ke-n

Gambar. 39.

Rangkaian seri Stallen Key orde enam (6thorde)

Gambar. 40.

Daerah linier pengukuran sensor untuk daerah *20 pT

Gambar. 4 1.

Kesalahan absolut keluaran sensor

*

...

Vlll

BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang

Pembuatan sensor magnetik saat ini menggunakan beberapa metode seperti:
metode Efek Hall, ikhgnetoresistif (AMR, GMR), SQUID dan Fluxgate (Fraden, J., 1 996:
Caruso, M.J., et al., 2007 ). Kelemahan metode efek Hall adalah sensitivitasnya rendah,
offset tegangan tinggi dan pengaruh temperatur besar. Kelemahan magnetoresistifadalah
adalah adanya pengaruh efek histeresis, berubahnya sensitivitas sensor terhadap kenaikan
medan magnet H (Djamal, M., et al., 2005. Metode SQUID memerlukan helium cair
dalam pengoperasiannya dan membtuhkan biaya yang mahal sehingga digunakan untuk
keperluan khusus saja. Sedangkan pada metodaflmgate, pengukuran kuat medan magnet
didasarkan pada hubungan antara kuat medan magnet H yang diberikan dengan fluks
medan magnet induksi B. Tegangan keluarannya sebanding dengan medan magnet luar
yang mempengaruhi inti (core) dan arahnya sebanding dengan arah medan magnet luar
tersebut (Djarnal. M, 2006, Bashirotto, A., et al., 2006).
Berbagai usaha telah dilakukan peneliti untuk meningkatkan daya kerja sensor
fluxgate (sensitivitas, akurasi dll.) seperti perbaikan pada desain struktur sensor, rangkaian
pengolah sinyal dan meminiatur ukuran sensor dalam orde yang lebih kecil (Ripka, P., et
al., 2001a: Park, H.S., et al., 2004: Wang, Y., et al., 2006; Zorlu, O., et al., 2007),
perkembangan desain strukturlgeometri, rentangan pengukuran medan magnet
sensitivtas sensor sarikan

pada Lampiran I.

dan

Metode pembuatan yang digunakan

mempunyai proses yang komplek sehingga harga pembuatan menjadi mahal, sensitivitas
sensor rendah karena luas penampang (cross-sectional) menjadi kecil (L. Shibin, et al.,
2006), selain itu sensor dengan resoluti tinggi yang beredar dipasaran harganya sangat
mahal. Hal ini berlawanan dengan kebutuhan dilapangan dimana untuk pengukuran dan
pengontrolan yang menggunakan konsep perubahan medan magnet dibutuhkan sensor
magnetik dengan sensitivitas yang tinggi tentunya dengan harga yang te rjangkau (Yulkifli,
dkk.,2007a).
Sehubungan dengan latar belakang di atas peneliti ingin mengembangkan sensor
magnetik sensitivitas tinggi dengan mendesain elemen sensor magnetik Jlwcgate model
ellips-multicore double pick-up menggunakan teknik harmonisa kedua untuk mengukur
getaran suatu objeklmesin tentunya dengan biaya yang tidak terlalu mahal. Diharapkan dari
desain dm pengembangan model sensor ini dapat meningkatkan resolusi pengukuran
sensor menjadi 0,01 pT atau sensitivtas 100.000 mVlnT.
1

BAB 11. STUD1 PUSTAKA
I
I

A. Prinsip Dasar Sistem Sensor Fluxgate

Prinsip hngsional yang mendasar dari sistem sensor fluxgate adalah perbandingan
medan magnet yang diukur B,,

dengan medan magnet refrensi B,,/

medan magnet yang akan diukur B,,

I

Pengubahan kuat

ke dalam sinyal listrik dapat dilakukan dengan cara

langsung, cara ini memang sederhana, tetapi memberikan hasil yang kurang teliti terutama
untuk mengukur medan magnet lemah. Sensor magnetikfluxgate tidak menggunakan cara
langsung, tetapi menggunakan medan magnet referensi Bref untuk dibandingkan dengan

I

medan magnet yang akan diukur Be,, menggunakan wadah (probe) yang diisi dengan bahan
inti (core). Prinsip ini terlihat pada gambar 1.

Medan magnet referensi. bisa berbentuk

I

I

sinyal bolak-balik sinusoida, persegi, atau segitiga, dieksitasikan pada inti melalui

I

1
I

I

lamparan primer. Medan magnet referensi Bref disuperposisikan dengan medan magnet
yang akan diukur B e , pada bahan inti ditangkap oleh kumparan sekunder (pick-up coil)
untuk dievaluasi. Sensitivitas sensorfluxgate sangat bergantung pada perrneabilitas bahan
inti (Li, X.P., et al,. 2006a).
magnetometer

output

(a)

magnetometer

output

Gambar. 1 Prinsip pengukuran. medan magnet: a) dengan cara langsung; b) menggunakan
medan magnet referensi Bre/ sebagai pembanding terhadap medan magnet yang
diukur Be,. (Gijpel, W, et al., 1989).
Sensor magnetik fluxgate dibuat berdasarkan karakteristik inti feromagnetik yang
linier. Dalam bentuk yang sederhana, sensor magnetik fluxgate terdiri dari inti
ferromagnetic dan dua kumparan, yaitu kumparan primer (excitation coil) dan kumparan
sekunder (pick-up coil), seperti ditunjukkan Gambar 2.

g

Kurnparan
eksitasi

.

Gambar. 2 Bentuk sederhana sensor magnetik fluxgate (B. Ando, 2006).
Prinsip kngsional

sensor fluxgate dalarn mendekteksi perubahan magnetik eksternal

terlihat dalam gambar 3.

Gambar 3. Bentuk sinyal keluaran sensor fluxgate( S. Liu, 2006).
Inti sensor yang terbuat dari bahan ferromagnetik

memiliki sifat material yang

dapat tersaturasi (3a), Inti sensor dibawa ke dalam daerah saturasi secara periodik oleh
medan eksitasi sinusiodal, medan ini merupakan medan refrensi (Bref),yang dihasilkan
oleh arus sinusiodal yang mengalir ke dalam kumparan eksitasi, ketika medan magnetik
luar sama dengan nol, maka medan magnetik yang timbul oleh kumparan eksitasi akan
simetris (3b), saat kondisi ini tidak ada laju perubahan fluk magetik yang tertangkap oleh
kumparan pick-up sehingga selisih tegangannya menjadi nol. Sedangkan ketika ada medan
magnetik luar yang sejajar terhadap inti, induksi di dalam inti menyebabkan fungsi
terangkat dari proyeksi pada kurva magnetisasi, akibatnya sinyal tidak lagi simetris setelah
diproyeksikan terhadap sumbu B (3c), saat kondisi ini kumparan pick-up menangkap laju

perubahan fluk magnetik (3d), sehingga menyebabkan ada selisih tegangan pada kedua
kumparan pick-up (3e).
Selisih tegangan keluaran ini dianalisa dengan menggunakan prinsip harmonisa
kedua melalui pendekatan polinomial dan fungsi transfer.
Fungsi transfer
Asumsikan inti adalah tipe linier, maka inti akan disaturasi oleh medan magnetisasi
awal sinusoidal:

yang akan disuperposisikan dengan medan magnet luar H,,,.Medan magnet dalam inti
akan menjadi

dimana N adalah faktor magnetisasi untuk inti linier:

Untuk menghitung rapat fluks dalam inti, menormalisasikan kuat medan magnet dalam inti
menjadi H; , yang diberikan

Sehingga kuat medan medan magnet dalam ini menjadi
hint = -Hint
--;-= hext + hRf

,,, sin ut

H0
Kurva magnetisasi akan diaproksimasi dengan pendekatan polinomial ternorrnalisasi
orde 3:

dimana b adalah rapat fluks ternormalisasi:

dengan

Pendekatan ini digunakan baik untuk pencabangan positif maupun negatif dari kurva
magnetisasi.
Rapat fluks ternormalisasi menjadi

,
,sin w t - a3 (hex,+ hEf

sin ~

b = al heXt + al hWf

1

)

~

atau

b = aqhext

alhref
3

3

3

- a,hext - ~ 8 3 h e x t.
- 3a3 h:xt href

a,x

- 2 a 3 hexi

'

ref max

mar

max

3

3

- -a3
href mar
4
1

cos 2 w t + T a 3 h h

)Sin W t

-

sin 3 w t

Dapat dilihat bahwa komponen harmoniksa kedua sesuai dengan kuat medan magnet luar.
Tegangan keluaran kumparan sekunder sesuai dengan diferensiasi rapat fluks dalam
inti terhadap waktu, yaitu:

dimana N : jumlah lilitan kumparan sekunder dan A adalah penampang hamburan dari inti.
Tegangan keluaran kumparan sekunder dapat digantikan dengan tegangan keluaran
ternormalisasi:

dan menjadi

3

+ 3~,oa,h,,h~.,~~,
sin 2wt t - ~ , o a , h ~
,,,,ax; cos 3 o t
4

Komponen tegangan keluaran harmonisa kedua dari kumparan sekunder adalah
=

ma

sin 2wt

atau

u,,~ = h,xt~h:ef ,,, sin 2wt

(16)

sebagai aproksimasi linier dimana K adalah sebuah konstanta yang meliputi faktor
magnetisasi, nilai puncak arus magnetisasi awal, bentuk inti, koefisien polinomial a j , dan
rapat fluks saturasi ini. Komponen tegangan keluaran harmonisa kedua dari kumparan
sekunder sesuai dengan medan magnet luar yang diukur dan frekuensi arus magnetisasi
awal.

.

Tegangan keluaran VOut dari elemen sensor diolah dengan menggunakan rangkaian
pengolah sinyal. Pengolah sinyal sensor terdiri dari beberapa bagian, yaitu diffi-ensiator,
detektor, sinkronisasi fasa, integrator, dan penguat akhir. Secara skematik terlihat pada
gambar 4:

'7
I
osi lator

Buffer

Generator

Sensor

Pengolah sinyal

Penyearah

A

Dua kali frekuensi
(2fo)

Garnbar 4. Skema Diagram Pengolahan Sinyal Sensor

B. Faktor demagnetisasi terhadap tegangan keluaran sensor
Faktor demagnetisasi (D) memainkan peranan penting dalam menentukan tegangan
keluaran dan noise sensor fluxgate (F. Primdahl, et al., 2002; J . Kubik, et al. 2008).
Hubungan tegangan keluaran sensor dengan faktor demagnetisasi ditunjukan oleh
persarnaan (1 7).

Dari persamaan (17) terlihat jelas hubungan antara tegangan keluaran sensor
dengan faktor demagnetisasi bahan. Tegangan keluaran sensor akan meningkat jika faktor
demagnetisasi mengecil dan sebalikya. Tegangan maksimun akan diperoleh saat D=07
tegangan akan no1 jika D=1. Nilai faktor demagnetisasi dapat ditentukan

melalui

persarnaan:

sedangkan nilai apparent permaebilit (p,) diperoleh setelah mengukur dimensi dan
indukstansi diri sensor:

Po=[

LC",,,

j

- LCOI, AC"d
LO,/,
A,",

,I

C. F L q a t e Magnetometer Sebagai Sensor Getaran.
Getaran adalah gejala mekanika dinamik yang mencakup periode gerak osilator di
sekitar posisi referensi atau berupa gerakan bolak-balik yang digambarkan sebagai
amplitudo atau simpangan terjauh dari titik setimbang. Untuk mendekteksi getaran
dikembangkan berbagai alat berupa sensor getaran (vibration sensor). Terdapat banyak
metode yang dapat dipakai untuk mendeteksi getaran, misalnya dengan mengukur
kapasitansi, perubahan muatan listrik dari material piezoelectric

atau perubahan posisi

dalam Linear Variable Displacement Transformer (LVDT) (Corres, et. a1.,2006).
Salah satu cara kerja sensor getaran berdasarkan perubahan posisi dari suatu objek,
objek yang bergerak dapat dideteksi dengan perubahan medan magnet yang terjadi
padanya. Perubahan medan magnet pada sensor magnet akibat berubahnya posisi dapat
dimanfaatkan untuk mendeteksi suatu benda yang sedang bergetar. Fluxgate sebagai

sensor mempunyai konsep perubahan medan magnet suatu objek. Berdasarkan kesamaan
konsep ini, maka Fluxgate dapat dijadikan sebagai sensor getaran. (Hendro, 2007).
Sensor fluxgate bekerja dengan cara membangkitkan medan magnet untuk dirinya
sendiri sebagai medan magnet acuan, jika terdapat bahan magnet yang bergetar pada posisi
x maka sensor

akan mendeteksi perubahan posisi (x) dari getaran tersebut melalui

perubahan acuan medan magnetik pada intinya (Suyatno, 2007b). Perubahan posisi (x) dari
benda yang bergetar terhadap sensor disebut dengan simpangan, simpangan maksimum
disebut dengan amplitudo (A).
Untuk meninjau konsep mekanik sebuah benda bergetar dimodelkan seperti gambar 5.

Gambar 5: Model Makanik Sensor Getaran (A) dan Diagram bebas dari massa (B),
(Fraden, J., 1996).
Sebuah benda dengan beban bermassa M terikat pada sebuah pegas dengan
konstanta pegas k dan massa yang bergerak diredam oleh peredam dengan koefisien
redaman b seperti gambar (A). Beban bisa bergeser sejauh x dari titik setimbang terhadap
sensor dengan arah horizontal. Selama bergerak percepatan beban M bergetar sebesar
d2x
dan sinyal kel-uaran sebanding dengan defleksi xo dari beban M. Berdasarkan
dt *

-,

tinjauan diagram bebas masaa M seperti gambar (B) dan menerapkan Hukum kedua
Newton (Symon, K.R., 1980), memberikan :

dengan f adalah percepatan dari massa relatif dari bumi dan diberikan oleh :
d2x

d2y

dt2

dt2

f =---

Dengan mensubsitusi persaman 1 ke 2 didapatkan :

Persamaan di atas merupakan persamaan diffrensial orde dua yang mana artinya
keluaran percepatan sinyal merupakan bentuk osilasi. Untuk menyelesaikan persamaan

(22) di atas digunakan Transformasi Laplace (Boas, L.M, 1984). Berdasarkan
Transformasi Laplace didapatkan :

dimana X ( s ) dan A ( s ) adalah Transformasi Laplace dari x ( t ) dan -. ~ o l u s i
dt '
persamaan ( 1 8 ) untuk X ( s ) adalah :

dan 25m,

dengan mendefinisikan variabel a,,=

=

% , persamaan (24) dapat

ditulis

Nilai

m , mempresentasikan frekuensi anguler alami percepatan dan

normalisasi redaman. Misalkan G ( s ) =

-1

2 '

s 2 + 25m,,s + ?no

koefisien

maka persamaan (25) dapat

dituliskan menjadi : X ( s ) = G ( s ) A ( s ), solusi dapat diungkapkan dalam bentuk operator
inverse transformasi Laplace sebagai :

X ( s ) = L-' { G ( s )A ( s ) )
Dengan menggunakan teorema konvolusi transformasi Laplace dapat ditulis:

dimana a adalah impulse bergantung pada percepatan dan g(t) adalah inverse transform

dz,

L-I { G ( s ) }. Jika diambil w = a,,

maka persamaan di atas mempunyai dua solusi,

yaitu :
Solusi I, untuk underdamped mode ( 5 < 1 ) :
~ (=
t -J-e
)' 1

-@o,,(/-r,

sin w(t - r ) a ( t ) d r

0

Solusi 11, untuk overdamped mode ( 5 > 1 ) :

,/fi

dengan o = o ,

Persamaan (29) menunjukkan bahwa perubahan jarak atau simpangan benda berosilasi
bergantung pada waktu t.
Perubahan posisi atau jarak antara beban M (target) dengan sensor

akan

menyebabkan perubahan intensitas medan magnet yang diterima oleh sensor. Prinsip kerja
pengukuran getaran berdasarkan perubahan posisi ini telihat pada gambar 6.
Objek bergetar

-

SensorfIuxgate

.

-

Amplifier

FFT

----I,

A, f

Tegangan ke luaran
sebagai fungsi jarak

~&nb&. Prinsip Kerja Sensor Fluxgate Sebagai Sensor Getaran
Objek yang bergetar (target) dipilih yang bersifat magnetik. Material magnetik
dapat berasal dari magnet permanen atau material ferromagnetik. Material magnetik
ditempatkan pada objek yang akan diukur getaranya. Jika objek bergerak mendekati atau
menjauhi detektor, maka medan magnetik disekitar titik setimbang akan mengalami
perubahan, perubahan ini disebut fluk magnetik (0).
Perubahan fluk magnetik bergantung
pada posisi sensor terhadap objek.
Jika d;i adalah elemen vektor dan

B adalah elemen vektor, maka fluk magnetik

yang keluar dari permukaan medan adalah:
&=JB.d;l

(30)

Jika medan magnetik material adalah B, maka medan magnetik yang dideteksi oleh
sensor pada jarak r adalah:
X

Penurunan medan magnetik sebanding dengan llx, (Djamal, M., 2006).

D. Desain Geometri Struktur Multicore
Kualitas sensorfluxgate seperti sensitivitas dan resolusi ditentukan berbagai faktor
antara lain: desain geometri elemen sensor seperti: pemilihan bahan inti (core), susunan
dan jumlah inti, jumlah lilitan eksitasi danpick-up, ha1 ini dapat terlihat pada tabel 1.
Tabel 1.

Kualitas sensor fluxgate berdasarkan elemen sensor, bahan inti (core) dan
konfigurasi kumparan eksitasi dan pick-up.

No
1

Desain Sensor

Sensitivit

Resolu

as

si

Close-core persegi, ukuran inti panjang 2 0,028

-

Peneliti

Ripka. P., et
al., 200 1 b

x700 pm, lebar 1000 mm dan tebal 4 pm, mV/pT.
jumlah lilitan 40.
Close-core tiga lapis , bahan pita Metglass 20 ps/nT

2

3

-

Ando,

27 14 A, tebal inti 15.24 pm, tebal kumparan

Bruno.,

0.2 mm

al., 2005

Singel-core sejajar, bahan pita Vitrovac 6025, 350

-

kumparan pick-up ganda , jumlah lilitan mV1p.T.

et

Djamal, M.,
et all, 2006

bervariasi.
4

Multilayer-core, bahan Metglas 27 14, tebal 0.2 psInT.
logam 200 pm, jarak antara garis logam 200

-

Ando.,

B.,

et al., 2006

pm dan resolusi ecthing 100 pm, lubang
kumparan pick-up bervariasi.
5

Multi-core orthogonal, Bahan amorphous -

Li, X.P., et

CoFeSiB diameter 16pm, tebal 2 pm dan

al., 2006b

panjang 18 mm 1000 lilitan kumparan pickup, jumlah core: 16 buah. Sensitivitas multicore 65 kali lebih besar dari single-core.

Berdasarkan tabel 3 di atas dapat dilihat bahwa sensitiv sensor masih rendah.
Untuk itu akan didesain elemen sensor menggunakan elemen sensor ellip-multicore
double pick-up, seperti ditunjukkan pada garnbar 7a.

External Field

t

7

Excitation Coil

& Excitation Coil

...a #...-.
Core Vitrovac 6M5 Z

Gambar 7. Desain elemen sensor model ellip-multicore double pick-up, (a), model elemen
sensor oleh Sauer, R. (b)
Desain elemen sensor ini memiliki beberapa perbedaan dengan model elemen
sensor yang telah dikembangkan oleh peneliti lain, terutama yang dikembangkan oleh
Grueger, H., et al., 2002 seperti gambar 7b, model ini menggunakan inti tunggal simetri
sejajar, model ini memiliki kelemahan yaitu medan eksitasi antara kedua sisi cendrung
tidak sama besar nilainya. Sedangkan Li, X.P., et al., 2006a: 2006b seperti gambar 8
menggunakan multi-core tetapi kumparan pick-up tunggal, kelebihan model multi-core
dapat meningkatkan sensitivitas sensor, tetapi secara teoritik belum dijelaskan penyebab
meningkatnya sensitivitas sensor tersebut.
Pick-up coil

Multi-core
sensing element

Gambar 8. Desain elemen sensor oleh Li. X.P

BAB I11 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
A. TUJUAN PENELITIAN

Tujuan umum penelitian ini adalah mendesain dan mengembangkan
magnetik flwcgate

sensor

sensitivtias tinggi menggunakan elemen sensor model ellip-multicore

double pick-up dengan teknik harmonisa kedua dan aplikasi untuk sensor getaran pada
industri manufaktur. Adapun tujuan khusus penelitian ini adalah :
1. Mendesain elemen sensor menggunakan model ellip-multicore double pick-up.
2. Pengaturan rangkaian penapis, rangkaian balikan dan filter pada pengolah sinyal.
3. Pembuatan prototip sensor getaranflwcgate

4. Pengujian kehandalan sensor seperti uji reliabilitas, uji kestabilan dll.

5 . Aplikasi sensor getaran pada industri manufaktur.

B. MANFAAT PENELITIAN
Hasil penelitian ini sangat bermanfaat bagi industri-indistri dan pembangunan di
Indonesia. Pembangunan sarana dan prasarana di masa modem seperti sarana transportasi
baik darat maupun udara yang cenderung serba otomatis akan mendorong pemanfaatan
dari hasil penelitian ini. Dengan luasnya aplikasi dari sensor fluxgate, terbuka peluang
untuk penerapan teknologi ke arah komersial untuk diproduksi secara massal di dalam
negeri. Penggunaan produksi negeri sendiri dapat memajukan industri dan perekonomian
di dalam negeri. Selain itu akan dapat menghemat devisa negara karena kebutuhan akan
sensor selama ini di impor dari luar negeri. Disamping memiliki arti ekonomis yang sangat
besar, hasil penelitian ini juga memiliki arti kebanggaan nasional karena riset ini sangat
memberi peluang kepada Indonesia untuk ikut berbicara dalam tingkat dunia. Selain
mengembangkan aplikasi sensor fluxgate pada sensor getaran mesin dengan daerah
frekeunsi tinggi untuk industri manufaktur, kami juga akan mengembangkan sensor
fluxgate untuk frekuensi rendah. Pengukuran getaran dengan frekuensi rendah sangat
diperlukan dalam pendeteksi getaran di alam, seperti deteksi getaran bangunan, bendungan
dan jembatan. Berdasarkan letak geografis, Indonesia merupakan negara rawan gempa,
maka dibutuhkan instrumen yang dapat mendeteksi getaran gempa tersebut agar dapat
memberikan informasi secepat mungkin ke pusat informasi seperti Badan Meteorologi,
Klimatologi dan Geofisika (BMKG), sehingga korban jiwa akibat gempa dapat
diminimalisir. Indonesia yang terdiri dari ribuan pulau yang membentang dari Sabang

sampai ke Merauke memerlukan sensor alat pendeteksi gempa dalam jumlah besar. Jarak
antara pulau yang berjauhan menuntut penyebaran informasi secepat mungkin mengenai
gempa dan bahayanya seperti potensi tsunami. Hasil penelitian ini akan kami kembangkan
lebih jauh untuk sistem pengukuran gempa dan monitoring 3 dimensi secara online
berbasis sensorfluxgate.

BAB. IV. METODE PENELITIAN
Untuk mencapai tujuan penelitian pada tahun I dilakukan langkah-langkah sebagai
berikut
A. Desain Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS) Sensor Fluxgate

B. Desain Elemen Sensor Fluxgate dengan Variasi Jumlah Lilitan Pick-Up
C. Desain elemen sensor fluxgate dengan variasi jumlah lilitan inti (core)
Masing-masing langkah diatas dirinci dalam topik A, B dan C, selanjutnya dilakukan
pengukuran terhadap medan magnet lemah. Set-up pengukuran respon keluaran sensor
terhrmedan ekternal ditunjukkan oleh gambar 9.
RPS

Sensor

Multimeter

Kumparan Solenoid

Gambar 9. Set-up karakterisasi keluaran sensor

A. Desain Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS) Analog Sensor
Pada tahap ini dilakukan langka-langkah sebagai berikut:
Optimasi komponen rangkaian eksitasi, dalam ha1 ini dilakukan optimasi terhadap
komponen dan model rangkaian pembangkit gelombang eksitasi
Optimasi rangkaian pengolah sinyal, seperti buffer, tapis dan peguat
Pengambilan respon keluaran pada masing blok rangkaian
1. Rangkaian pembangkit sinyal eksitasi
Rangkaian eksitasi sering juga disebut rangkain pembangkit sinyal eksitasi (Generator
eksitasi). Bagian ini

yang berfungsi sebagai pembangkit medan magnetik referensi.

Pembangkit sinyal eksitasi terdiri dari Generator eksitasi, buffer dan osilator.

a. Rangkaian penghasil sinusiodal eksitasi
Bagian ini adalah bagian yang mendasar dari semua rangkaian sensor fluxgate karena
berfungsi sebagai penghasil sinusiodal selain itu juga berfungsi sebagai filter. Generator
akan menghasilkan sinyal yang mampu membangkitkan medan magnetik referensi pada
sensor rnelalui lilitan eksitasi. Sinyal eksitasi harus memiliki tegangan yang cukup untuk
menggerakkan lilitan eksitasi, ini diperlukan agar sinyal dapat mensaturasi inti
ferromagnetik (core). Sinyal eksitasi bergantung pada arus dan frekuensi eksitasi. Arus
eksitasi adalah arus yang digunakan untuk membangkitkan (mendrive) rangkaian eksitasi.
Frekuensi eksitasi adalah frekuensi yang digunakan dalam gelombang eksitasi yang
dihasiikan oleh arus eksitasi. Arus eksitasi dapat berupa gelombang sinus, segitiga atau
persegi dimana arus eksitasi akan mempengaruhi besarlkecilnya medan eksitasi. Untuk
mengoptimumkan medan eksitasi yang dihasilkan maka diperlukan arus eksitasi optimum.
Syarat utarna dari arus eksitasi adalah kedalaman saturasi (deep saturation) dari inti sensor
dan penekanan pada komponen frekuensi harmonic genapnya (Kubik, J., 2006). Karena
deep saturation sangat berhubungan dengan kebutuhan daya sensor. Menurut Tipek, A.,
2005: sensitivtias sensor fluxgate sangat bergantung pada arus eksitasi . Rangkaian sinyal
eksitasi ini terdiri dari induktor, resistor dan kapasitor, seperti pada gambar 10.

Gambar 10. Rangkaian Generator Sinyal sinusiodal eksitasi
Hal lain yang hams diperhatikan adalah besarnya daya yang dihasilkan. Sebagai
pembangkit medan referensi digunakan lilitan kawat. Lilitan ini memiliki diameter yang
relatif kecil (0.1 mm). Pembangkit eksitasi harus dapat mensaturasikan inti eksitasi tapi
tidak sarnpai merusak kumparan eksitasi karena pemberian daya yang terlalu besar.
Kualitas keluaran sinyal eksitasi ini dapat ditinjau melalui fungsi tranfer seperti
ditunjukkan persamaan (32).

Dari persarnaan (32) diperoleh hubungan tegangan keluaran dan masukan.

Kapasitor C digunakan sebagai penghalang arus searah yang mungkin mengalir ke dalam
rangkaian eksitasi. Hal ini dimungkinkan karena sifat kapasitor yang hanya melewatkan
arus bolak-balik tetapi menghalangi arus searah yang akan melewatinya.
b. Buffer eksitasi.

Bagian ini berfungsi sebagai buffer terhadap sinyal yang dihasilkan oleh generator
eksitasi. Salah satu komponen yang cocok dan sesaui dengan kebutuhan sensor fluxgate
adalah Mosfet, seperti ditunjukkan gambar 11. Dalam sistem bertahap kadang kala
memiliki impedansi masukan yang kecil, atau impedansi keluarannya besar. Sehingga
diperlukan rangkaian buffer. Rangkaian buffer yang ideal memiliki penguatan satu dengan
impedansi masukan yang sangat besar dan impedansi keluaran yang sangat kecil. Ada
beberapa rangkaian bufSer yang dapat dibuat misalnya dengan penguat kolektor
ditanahkan, penguat tolak-tarik (push pull amplifzer) atau menggunakan MOSFET.

Gambar 1 1. Rangkaian MOSFET Sebagai Inverter
Untuk menguatkan arus sebelum sinyal masuk ke dalam MOSFET, terlebih dahulu
sinyal dilewatkan pada 6 gerbang NOT dari IC 7404 yang dirangkai secara paralel.
Selanjutnya sinyal tersebut dilewatkan pada dua transistor MOSFET yang berbeda tipe, nMOS d a n p-MOS, dimana dua MOSFET ini berfungsi sebagai CMOS inverter. Pada
rangkaian CMOS (Complementary MOS), ketika Vi =Vcc, T I dalam keadaan On, dan T2
dalam keadaan Off. Keluaran Vo akan sama dengan 0, karena transistor terhubung secara
seri. Sebaliknya ketika Vi sama dengan 0, T I dalam keadaan Off dan T2 dalam keadaan
On. Pada keadaan ini keluaran sama dengan Vcc. Rangkaian logika seperti ini memiliki

I

kelebihan dibandingkan

TTL karena memiliki daya disipasi yang lebih rendah serta arus

keluaran yang lebih tinggi, sehingga rangkaian ini cocok sebagai buffer.
c. Osilator

Osilator berfungsi sebagai sinyal eksitasi yang akan diberikan pada lilitan eksitasi.
Dalam pembuatan sensor magnetik fluxgate osilator merupakan rangkaian dasar yang
sangat penting. Hal ini disebabkan karena stabilitas dari frekuensi medan yang dihasilkan
tergantung kepada stabilitas osilator. Untuk mendapat kestabilan maka digunakan kristal.
Gambar 12. menunjukkan rangkaian osilator kristal.

Gambar 12. Rangkaian Osilator Kristal dan IC CD 4060
Frekuensi osilator ditentukan oleh frekuensi kristal, kristal yang digunakan di sini adalah
4.096 MHz, dengan pembagi frekuensi yang terdapat di dalam IC CD4060.
2. Rangkaian pengolah sinyal Pick-up
Bagian kedua adalah pengolah sinyal lilitan pick-up. Rangkaian ini berfungsi untuk
mengolah sinyal yang diterima oleh lilitan pick up sensor menjadi tegangan listrik yang
dapat merepresentasikan medan magnet yang diukur. Bagian ini terdiri dari penguat awal

dun, detektor fasa (sinkronisasi).
a. Penguat awal.
Bagian ini berfungsi untuk memperkuat sinyal diterima oleh liltan pick-up. Lilitan
pick-up akan menangkap medan magnetik referensi serta medan magnetik eksternal.
Dalam keadaan tanpa adanya medan magnetik luar, penjumlahan arus yang melewati
lilitan pick-up sensor akan sama dengan no1 karena arahnya berlawanan. Ketika diganggu
dengan medan magnetik luar, maka terdapat perbedaan arus diujungujung lilitan pick-up.
18

Selisih arus pada ujung-ujung pick-up koil, kemudian dirubah menjadi tegangan oleh
penguat awal yang berbentuk integrator sekaligus diperkuat. Penguat awal terdiri dari
sebuah op-amp, sebuah kapasitor, dan dua buah resistor. Penguat ini berfungsi sebagai
pendiferensial sinyal yang keluar dari elemen sensor. Arus yang berasal dari kumparan
sekunder sensor dirubah menjadi tegangan pada resistor, arus pada resistor sama besarnya
dengan arus yang melewati kapasitor, karena adanya prinsip hubungan singkat maya pada
kaki inverting dan non-inverting pada op-amp, akibatnya terdapat perbedaan tegangan
pada kaki-kaki resistor, besar tegangan ini sama dengan keluaran op-amp. Kapasitor juga
berfungsi menghambat tegangan DC yang berasal dari op-amp ke sensor, sehingga
tegangan dari op-amp tidak mempengaruhi keluaran dari sensor. Pada frekuensi tinggi
rangkaian berfungsi sebagai penguat sinyal. Bagian penguat awal ini dapat dilihat pada
gambar 13. Harga komponen-komponen ditentukan oleh kutub dari diferensiator yang
dikehendaki.

sensor

d5"-

Out

Gambar 13. Penguat awal sensor yang juga berfungsi sebagai pendiferensial.
Untuk menjaga kestabilan sinyal sensor yang masuk ke detektor fasa, maka keluaran
dari penguat awal sensor ditambahkan sebuah buffer. Dengan adanya buffer ini, keluaran
dari detektor fasa akan stabil dan hambatan yang terdapat di dalam detektor fasa tidak akan
mengurangi besar tegangan sinyal yang keluar dari detektor tersebut. Pada akhirnya
penambahan buffer akan menjadikan keluaran sistem sensor menjadi lebih stabil dari yang
dibuat sebelumnya. Susunan buffer sama seperti pada gambar 14.

Gambar 14. Op-amp yang berfungsi sebagai buffer sinyal.

b. Detektor fasa (singkronisasi).

Bagian berfungsi untuk mendeteksi fasa dari sinyal yang masuk dari penguat awal,
detektor ini akan meneruskan sinyal dengan frekuensi harmonisasi kedua dengan
menggunakan frekuensi referensi osilator sebelum dibagi dua oleh pembagi frekuensi,
sementara itu harmonisasi ganjil dan yang lain tidak diteruskan. frekuensi detektor fasa ini
sebesar 4 KHz, dua kali dari frekuensi eksitasi. Sinyal masukan pada rangkaian detektor
fasa berbentuk pulsa sehingga rangkaian ini cukup meneruskan pulsa yang hanya sefasa,
atau yang memiliki fasa kelipatan 2.n dan seterusnya. Rangkaian detektor fasa ini terdiri
dari sebuah diferensiator dan sebuah saklar analog. Saklar analog ini akan meneruskan
sinyal yang masuk sesuai dengan frekuensi dari osilator yaitu 2fo. Gambar rangkaian
detektor fasa dapat dilihat pada gambar 15. Rangkaian detektor fasa ini terdiri dari sebuah
diferensiator dan sebuah sakelar analog. Saklar analog ini akan meneruskan sinyal yang
masuk dengan frekuensi dari osilator yaitu 2fo.

Garnbar 15. Rangkaian detektor fasa, ketika keluaran sensor positif.
Kemudian keluaran dari detektor fasa dimasukkan ke dalam buffer kembali agar sinyal
tidak lemah. Susunan buffer sama seperti pads gambar 14.

3. Rangkaian pendukung
Rangkaian pendukung teridiri penguat akhir dan tapis 1010s rendah.
a. Penguat akhir

Pada penguat akhir, keluaran dari tapis 1010s rendah diatur penguatannya. Rangkaian
ini diperlukan untuk mengkalibrasi keluaran sensor magnetik agar sesuai dengan medan
magnet yang dideteksi oleh sensor. Penguat ini merupakan penguat tak membalik, dimana

penguatanya diatur dengan resistor variabel 1 (VR,). Penguatan minimal sama dengan 1.
Faktor penguatan penguat akhir dapat dihitung dari persamaan (34)

Gambar rangkaian penguat akhir sensor dapat dilihat pada gambar 16.

Gambar 16. Penguat akhir sensor.
Keseluruhan bagian yang telah dirangkai ini bekerja secara analog. Keluaran yang
diperoleh dari rangkaian ini berupa tegangan analog yang merepresentasikan besar medan
magnetik yang dideteksi.
b. Tapis 1010s rendah (LPF)

Tapis 1010s rendah Sallen Key tipe Butterworth merupakan tapis 1010s rendah aktif dan
juga merupakan pengembangan dari penggunaan tapis 1010s rendah pasif. Penggunaan
tapis 1010s rendah Sallen-Key tipe Butterworth orde dua ini memiliki keunggulan dibanding
tapi 1010s rendah pasif, diantaranya adalah penguatan sinyal pada fiekuensi di atas
fiekuensi kutub adalah -20 dB, dan keluaran yang stabil. Dalam ha1 ini kutub dari tapis ini
dibuat rendah, sekitar 1 Hz, ini sangat kecil dibandingkan frekuensi pulsa fo, sehingga pada
kondisi ini rangkaian tapis ini berfungsi sebagai integrator. Gambar 17 menunjukkan
rangkaian tapis 1010s rendah Sallen-Key.

Garnbar 17. Rangkaian tapis 1010s rendah Sallen-Key.

B. Desain Elemen Sensor Fluxgate dengan Variasi Jumlah Lilitan Pick-Up
Seperti yang telah dijabarkan dalam laporan sebelumnya, bahwa elemen sensor
magnetik yang akan dibuat tampak seperti pada gambar 18.

.......

--.

..
.

-

"'
......

.

- ......
:.-s

....

:,i
8

-

H Esc

. . . . . .

)

.

---

-.

..

.

.

..

.

u:,

-, +
+I

[ --.1
. .
.

i
,..J?.T(
.,,,.,j,

.

*

Erc

<

i..:
- - - - - *.-$- '

.........

,,

.......

... ...

-.

0
0

- - - ......

.

.................

NP I C I : . ~ ~

b,"

"

8

........

4

.

.

.

~EXC

Y

I

Gambar 18. Desain Elemen Sensor Fluxgate pick-up ganda
Model desain menggunakan inti ferromagnetik berlapis (Mufticore). Pemilihan bahan inti
sangat penting karena menentukan batas sensitivitas dan akurasi dari sensor (Nielsen O.V.
1995). Disamping itu inti harus bersifat robus terhadap pengaruh luar seperti vibrasi
akustik dan deformasi mekanik. Bahan yang memenuhi persyaratan tersebut kaca logam
C066.5Fe3.5Si12B18
atau secara komesial dikenal sebagai Vitrovac 6025 (Ioan. C.H. 2005).

C. Desain Elemen dengan Variasi Jumlah Inti Ferromagnetik
Untuk 'melihat pengaruh jumlah

inti ferromagnetik terhadap keluaran sensor

magnetic di desaian sensor seperti gambar 19.

I '

;
i

i

....

I

No:,:

IE.:<
* I

HE;;-;

4

f

1

Gambar 19. Desain Elemen Sensor fluxgate dengan variasi inti
Berdasarkan desain elemen sensor diperoleh dimensi sensor sebagai berikut: panjang
(1) = 23.6 mm, lebar (7') = 0.75 mm, tebal (t)

=

0.025 mm untuk inti ferromagnetic

.

sehingga diperoleh luas core A,,,, = n* 1.5x10-' m2 dimana n = I . 2. 3, 4 berturut dan
luas penampang coil A,,, = 8.3 1x 1od m2.

BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Rangkaian Pengolah Sinyal (RPS)
Setelah optimasi semua komponen dibuat skematik rangkaian analog seperti ditunjukkan
gambar 20

Input lilitari

Pick-up
.LC
by--

I

.

. -.
. .

..-.-'r-.-

.

,

ChlOS icwertw

-. ,-

.,..

.

Rsngkaian eksitasi

/

Gambar 20. Hasil Skematik RPS analog

1. Respon keluaran CMOS Inverter
Berdasarkan pengamatan di osciloskop, sinyal masukan pada rangkaian detektor fasa
berbentuk pulsa sehingga rangkaian ini cukup meneruskan pulsa yang hanya sefasa,atau
yang memiliki fasa kelipatan 27c dan seterusnya. Rangkaian detektor fasa ini terdiri dari
sebuah diferensiator dan sebuah sakelar analog. Sakelar analog ini akan meneruskan sinyal
yang masuk sesuai dengan frekuensi dari osilator yaitu 2fo atau 8 kHz.

Gambar 2 1. Frekuensi osolator berbentuk gelombang persegi dengan f = 4 kHz
24

Gelombang persegi 4 KHz dihubungkan ke rangkaian pengatur fasa untuk meloloskan
sinyal dengan hannonisasi kedua (20,). Selain itu frekuensi gelombang ini juga dibagi dua
dengan pembagi D flip-flop dan manghasilkan frekuensi 4 KHz. Gelombang persegi
dengan frekuensi 4 KHz ini dihubungkan ke rangkaian penyangga eksitasi, untuk
menguatkan daya sinyal agar tidak terjadi drop tegangan ketika dialirkan ke dalam
transformator. Berdasarkan pengamatan di osiloskop dapat dibuktikan bahwa frekuensi
yang terbaca adalah 4 kHz sebagaimana ditunjukkan gambar gambar 22.

Gambar 22. Frekuensi referensi osolator berbentuk gelombang segitiga f = 4 kHz
2. Respon keluaran penguat awal dari lilitan pick-up
Setelah melalui penguatan dengan menggunkan ICLF412, sinyal diperkuat 50 kali
lebih besar f

=

8 kHz Gain

=

50 kali output input 154 dibandingkan sinyal yang masuk.

Dari hasil pemotretan di osiloskop, tampak bentuk sinyal merupakan sinyal sinusoida,
yang berarti sinyal tersebut merupakan sinyal tegangan listrik AC. Hasil ini sesuai harapan,
yang menandakan blok rangkaian penguat awal dapat berhngsi sebagai penguat, dan
kapasotor yang dirangkai di blok penguat awal ini dapat menghambat tegangan listrik DC
dari Op-Amp sehingga tidak mempengaruhi keluaran sensor

Gambar 23. Respon keluaran penguatan awal

3. Respon keluaran buffer rangkaian pick-up.
!

i
I

Tegangan keluaran dari sensor akan mengalami perbesaran amplitudo sebagai bentuk
penguatan dari penguat awal. Untuk menjaga kestabilan sinyal sensor yang masuk ke
detektor fasa, maka keluaran dari penguat awal sensor ditambahkan sebuah buffer.
Gelombang persegi 4Khz dihubungkan ke rangkaian sinkronisasi untuk meloloskan sinyal
harmonisasi kedua(200)

-- - - - ."-

r

I~lptrtIZitan
Pic k - up

a

-

-

Oc~lf~r-

., --

--

I

i

Gambar 24. Sinyal yang diamati pada osiloskop ketika melewati o p amp LF412

yang berfungsi sebagai buffer
I

I

1,

Pada garnbar 24. terlihat bahwa amplitudo sinyal antara input dan output memiliki
amplitudo yang sama, sehingga bila dibandingkan terlihat penguatanya 1. Keadaan ini
memiliki arti fisis bahwa dengan adanya buffer ini, keluaran dari detektor fasa akan stabil

I

dan hambatan yang terdapat di dalam detektor fasa tidak akan mengurangi besar tegangan
sinyal yang keluar dari detektor tersebut. Pada akhimya penambahan buffer akan

I

menjadikan keluaran sistem sensor menjadi lebih stabil dari yang dibuat sebelumnya.

I

Setelah sinyal melewati rangkaian detektor singkronisasi yang berfungsi meneruskan

I

sinyal yang masuk sesuai dengan frekuensi dari osilator yaitu 2f0, sinyal pun akan kembali
masuk rangkaian buffer (IC LF412), buffer ini dipasang untuk menjaga kestabilan respon
keluaran detektor fasa. Dari hasil pengamatan melalui osiloskop seperti pada gambar 25.
terlihat bahwa sinyal output tidak mengalami perubahan karakteristik dan merupakan

1

sinyal mumi dari sensor.

Garnbar 25. Respon sinyal melewati op-amp LF412 berfungsi sebagai buffer
4. Penguat akhir

Sinyal yang keluar dari integrator masih lemah dan perlu diperkuat agar dapat diukur.
Penguat yang digunakan disini adalah penguat inverting atau penguat membalik. Keluaran
yang diperoleh dari rangkaian ini berupa tegangan analog yang merepresentasikan besar
medan magnetik yang dideteksi. Rangkian penguat akhir yang digunakan ditunjukkan oleh
gambar 26a.

Besar penguatan akhir menurut persamaan (3) adalah adalah 26 kali.

Sedangkan berdasarkan pengukuran dengan menggunakan osiloskop (gambar 26b)
diperoleh penguatan sebesar 25 kali. Hasil ini tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan
secara matematis. Adapun perbedaan ini mungkin diakibatkan oleh keadaan fisis
komponen elektronika yang nilainya tidak tertalu tepat sesuai dengan sfesifikasinya serta
akbiat dari disipasi panas timbul pada rangkaian elektronika. Namun ha1 ini menunjukkan
bahwa rangkaian penguat akhir bekerja dengan baik.

Gambar 26. Penguat akhir (a), Sinyal ketika melewati op amp LF412 yang berfungsi

1

penguat akhir (b)

5. Respon keluaran integrator
Tapis 1010s rendah Sullen Key tipe Butterworth merupakan tapis 1010s rendah aktif.
Tapis ini dipakai agar penguatan sinyal pada frekuensi di atas frekuensi kutub -20 dB, dan
keluaran yang stabil. Pada gambar 27. dapat dilihat bahwa amplitudo input dan outputnya
sarna, dengan bentuk sinyal yang smooth..

Gambar 27. Sinyal keluaran pada rangkaian tapis 1010s rendah

Rangkaian low pass filter juga berfungsi sebagai integrator, sinyal AC dari sensor dirubah
menjadi sinyal DC. Dengan demikian tapis ini berfungsi dengan baik untuk meloloskan
sinyal berfrekueni rendah dan meredam sinyal berfrekuensi tinggi seqa meredam noise
yang dihasilkan dari sensor dengan keluaran yang stabil. Ciri bahwa sinyal keluaran sensor
merupkan sinyal DC adalah pada osiliskop terlihat berbentuk garis lurus.

B. Konfigurasi jumlah Lilitan Pick-up Ganda
Konfigurasi untuk lilitan pick-up ini adalah 2x(40/20/40), 2x(40/30/40),
2x(40/40/40), 2x(40/50/40), 2x(40/60/40), 2x(40/70/40), 2x(40/8040), inti yang digunakan
adalah Vitrovac 60252 dengan ukuran

2x 0.025 mm. Desain untuk konfigurasi ini

ditunjukkan gambar 28.

Gambar 28. Photo elemen sensor fluxgate dengan konfigurasi lilitan pick-up
28

Hasil pengukuran untuk konfigurasi ini ditunjukkan gambar 29.
5

--2al

--e
2-50
--.
=3

n

.

I

I

I

I

1

10

20

30

40

50

r.

-40

-30

-20

-1

-tJOW0140

40/70140

-