Bagaimana cara memperkuat output dari strain gauge?

Pengukur regangan adalah sensor penting yang digunakan di berbagai industri, mulai dari luar angkasa dan otomotif hingga teknik sipil dan pengujian material. Perangkat ini mengukur tekanan mekanis dengan mendeteksi perubahan hambatan listrik, sehingga memberikan data berharga untuk sistem pemantauan dan kontrol. Namun, sinyal keluaran dari strain gauge seringkali sangat kecil dan memerlukan amplifikasi agar berguna dalam aplikasi praktis. Dalam postingan blog ini, saya akan berbagi beberapa metode efektif untuk memperkuat keluaran alat pengukur regangan, berdasarkan pengalaman saya sebagai pemasok pengukur regangan.

Memahami Dasar-dasar Output Strain Gauge

Sebelum mempelajari teknik amplifikasi, penting untuk memahami sifat keluaran strain gauge. Pengukur regangan biasanya memiliki resistansi yang berubah sebanding dengan regangan yang diterapkan. Perubahan resistansi biasanya sangat kecil, seringkali hanya beberapa ohm atau kurang. Perubahan kecil dalam resistansi ini menghasilkan perubahan tegangan yang kecil pada strain gauge ketika itu adalah bagian dari suatu rangkaian.

Tegangan keluaran strain gauge dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
Di mana:

• (\Delta V) adalah perubahan tegangan keluaran
• (V_{exc}) adalah tegangan eksitasi yang diterapkan pada jembatan pengukur regangan
• (G) adalah faktor pengukur dari strain gauge
• (\epsilon) adalah regangan yang diterapkan

Seperti yang dapat Anda lihat dari rumusnya, tegangan keluaran berbanding lurus dengan tegangan eksitasi, faktor pengukur, dan regangan yang diberikan. Namun, bahkan dengan tegangan eksitasi yang relatif tinggi dan faktor pengukur yang besar, tegangan keluaran masih bisa sangat kecil, terutama untuk regangan yang kecil.

Konfigurasi Jembatan untuk Amplifikasi

Salah satu cara paling umum untuk meningkatkan output strain gauge adalah dengan menggunakan konfigurasi jembatan. Jembatan Wheatstone merupakan rangkaian jembatan yang paling banyak digunakan untuk aplikasi strain gauge. Ini terdiri dari empat elemen resistif, dengan pengukur regangan menjadi satu atau lebih elemen ini.

Konfigurasi Jembatan Seperempat

Dalam konfigurasi seperempat jembatan, hanya satu dari empat resistor di jembatan Wheatstone yang merupakan pengukur regangan. Tiga resistor lainnya adalah resistor tetap. Konfigurasi ini sederhana dan hemat biaya namun memberikan output terendah dibandingkan konfigurasi jembatan lainnya.

Konfigurasi Setengah Jembatan

Konfigurasi setengah jembatan menggunakan dua pengukur regangan. Hal ini dapat diatur dengan berbagai cara, tergantung pada aplikasinya. Misalnya, satu pengukur regangan dapat digunakan untuk mengukur regangan, sedangkan yang lainnya dapat digunakan sebagai pengukur kompensasi suhu. Konfigurasi setengah jembatan memberikan output yang lebih tinggi dibandingkan konfigurasi seperempat jembatan.

Pengukur Regangan Jembatan Penuh

Konfigurasi jembatan penuh menggunakan empat strain gauge. Konfigurasi ini memberikan keluaran tertinggi dan paling sensitif terhadap regangan. Ia juga menawarkan kompensasi suhu terbaik. Dalam konfigurasi jembatan penuh, keempat resistor pada jembatan Wheatstone merupakan pengukur regangan. Hal ini memungkinkan pemanfaatan maksimum perubahan resistansi yang disebabkan oleh regangan dan menghasilkan tegangan keluaran yang jauh lebih besar dibandingkan dengan konfigurasi seperempat setengah jembatan.

Penguat Pengkondisian Sinyal

Setelah strain gauge dikonfigurasikan dalam rangkaian jembatan, langkah selanjutnya adalah memperkuat sinyal keluaran. Penguat pengkondisi sinyal dirancang khusus untuk memperkuat sinyal keluaran kecil dari pengukur regangan dan sensor lainnya. Amplifier ini biasanya memiliki impedansi masukan yang tinggi untuk meminimalkan efek pembebanan pada jembatan pengukur regangan dan kebisingan yang rendah untuk memastikan amplifikasi sinyal yang akurat.

Penguat Instrumentasi

Penguat instrumentasi adalah pilihan populer untuk memperkuat sinyal pengukur regangan. Mereka dirancang untuk memberikan penguatan tinggi, rasio penolakan mode umum (CMRR) yang tinggi, dan tegangan offset rendah. CMRR yang tinggi sangat penting dalam aplikasi strain gauge karena membantu menolak kebisingan mode umum yang mungkin ada dalam sinyal input.

Penguat Operasional

Penguat operasional (op-amp) juga dapat digunakan untuk memperkuat sinyal pengukur regangan. Meskipun op-amp merupakan penguat yang bertujuan umum, op-amp dapat dikonfigurasi dengan berbagai cara untuk mencapai amplifikasi yang diinginkan. Namun, dibandingkan dengan penguat instrumentasi, op-amp mungkin memiliki CMRR yang lebih rendah dan tegangan offset yang lebih tinggi, yang dapat mempengaruhi keakuratan sinyal yang diperkuat.

Optimasi Tegangan Eksitasi

Tegangan eksitasi yang diterapkan pada jembatan strain gauge juga memainkan peran penting dalam menentukan tegangan keluaran. Menaikkan tegangan eksitasi dapat secara langsung meningkatkan tegangan keluaran strain gauge, sesuai rumus yang telah disebutkan sebelumnya. Namun, ada beberapa keterbatasan dalam meningkatkan tegangan eksitasi.

Pembuangan Daya

Salah satu batasan utama adalah disipasi daya. Ketika tegangan eksitasi meningkat, daya yang dihamburkan oleh strain gauge juga meningkat. Hal ini dapat menyebabkan strain gauge menjadi terlalu panas, yang dapat mempengaruhi keakuratan dan keandalannya. Oleh karena itu, penting untuk memilih tegangan eksitasi yang berada dalam peringkat daya strain gauge.

Kebisingan dan Interferensi

Pertimbangan lainnya adalah kebisingan dan interferensi. Tegangan eksitasi yang lebih tinggi juga dapat meningkatkan kerentanan strain gauge terhadap gangguan dan gangguan listrik. Hal ini dapat mengakibatkan penurunan rasio signal-to-noise (SNR), yang dapat mempengaruhi keakuratan pengukuran. Oleh karena itu, penting untuk menyeimbangkan kebutuhan akan tegangan eksitasi tinggi dengan kebutuhan untuk meminimalkan kebisingan dan interferensi.

Kompensasi Suhu

Perubahan suhu dapat berdampak signifikan pada keluaran strain gauge. Ketika suhu berubah, resistansi strain gauge dapat berubah, bahkan tanpa adanya regangan yang diberikan. Hal ini dapat menyebabkan kesalahan dalam pengukuran. Oleh karena itu, kompensasi suhu merupakan aspek penting dari amplifikasi strain gauge.

Kompensasi Suhu Aktif

Kompensasi suhu aktif melibatkan penggunaan sensor atau sirkuit tambahan untuk mengukur suhu dan menyesuaikan keluaran pengukur regangan. Misalnya, termistor dapat digunakan untuk mengukur suhu, dan keluaran pengukur regangan dapat disesuaikan berdasarkan pembacaan suhu.

Kompensasi Suhu Pasif

Kompensasi suhu pasif dapat dicapai dengan menggunakan konfigurasi jembatan. Misalnya, dalam konfigurasi setengah jembatan atau jembatan penuh, satu atau lebih pengukur regangan dapat digunakan sebagai pengukur kompensasi suhu. Alat pengukur ini ditempatkan sedemikian rupa sehingga dipengaruhi oleh perubahan suhu yang sama seperti alat pengukur regangan tetapi tidak oleh regangan yang diterapkan. Hal ini membantu untuk menghilangkan perubahan resistansi yang disebabkan oleh suhu pada pengukur regangan pengukur.

Penyaringan Sinyal

Selain amplifikasi, penyaringan sinyal juga penting untuk meningkatkan kualitas keluaran strain gauge. Kebisingan dan interferensi dapat dimasukkan ke dalam sinyal dari berbagai sumber, seperti interferensi elektromagnetik (EMI), kebisingan catu daya, dan getaran mekanis.

Filter Akses Rendah

Filter low-pass biasanya digunakan untuk menghilangkan noise frekuensi tinggi dari sinyal strain gauge. Filter ini memungkinkan sinyal frekuensi rendah (termasuk sinyal yang disebabkan oleh regangan) melewatinya sambil melemahkan kebisingan frekuensi tinggi.

Filter Akses Tinggi

Filter high-pass dapat digunakan untuk menghilangkan noise frekuensi rendah, seperti offset DC dan penyimpangan lambat. Filter ini memungkinkan sinyal frekuensi tinggi melewatinya sambil melemahkan sinyal frekuensi rendah.

Kesimpulan

Memperkuat keluaran pengukur regangan merupakan langkah penting dalam banyak aplikasi. Dengan menggunakan konfigurasi jembatan yang sesuai, penguat pengkondisian sinyal, mengoptimalkan tegangan eksitasi, menerapkan kompensasi suhu, dan menerapkan penyaringan sinyal, dimungkinkan untuk meningkatkan keluaran pengukur regangan secara signifikan dan meningkatkan akurasi pengukuran.

Sebagai pemasok strain gauge, saya memahami pentingnya menyediakan strain gauge berkualitas tinggi dan dukungan yang diperlukan untuk amplifikasi dan pengkondisian sinyal. Jika Anda sedang mencari pengukur regangan atau memerlukan saran tentang cara memperkuat keluarannya, saya mendorong Anda untuk menghubungi saya untuk diskusi mendetail. Kami dapat bekerja sama untuk menemukan solusi terbaik untuk aplikasi spesifik Anda.

Referensi

• Doebelin, EO (2003). Sistem Pengukuran: Aplikasi dan Desain. McGraw-Hill.
• Grup Kistler. (2021). Teknologi Pengukur Regangan. Diperoleh dari [URL Situs Web]
• Rekayasa Omega. (2021). Buku Pegangan Pengukur Regangan. Diperoleh dari [URL Situs Web]