STRAIN GAUGE

I.  Dasar Teori

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 =Es …………………………………………….(1)

dimana               σ = regangan, Δl/l (tanpa satuan)

                                       s = tegangan geser , kg/cm²

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 …………..(2)

   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, yaitu :

                                                R= ρPanjangLuas=ρxlπ4d2 …………….(3)

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 200^oC.

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 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.

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

c) Rosette 60^o

II.                Percobaan

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

Grafik hambatan terhadap beban:

ii.                  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 berikut:

                                    Vg=R3R1+R3 Vin− R4R2+R4 Vin

                               0=R3R1+R3 Vin− R4R2+R4 Vin

                           R3R1+R3 Vin= R4R2+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.

                                           

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

·        Mencari total penguatan yang diperlukan:

                

      

        kali

·        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:

                       dengan   

          

           

           

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

iv.                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 outV in x 100%= 2,85 V5 V x 100%=57 %  

III.             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.