Fisika Veritas: Aplikasi Jembatan Wheatstone pada Sensor Resistif

Karena banyak yang menanyakan aplikasi jembatan Wheatstone, akhirnya kali ini kami bisa juga membuat artikelnya. Artikel ini terkait dengan artikel jembatan Wheatstone yang sudah diposting sebelumnya.

Gambar 1. Jembatan Wheatstone

Kita bahas sensor dan transduser terlebih dahulu. Sensor adalah piranti yang dapat mendeteksi/merasa perubahan suatu besaran fisika (misalnya tekanan atau gaya) dan kemudian melaporkannya sebagai besaran listrik. Transduser adalah piranti yang dapat meng-konversi suatu bentuk energi menjadi bentuk energi lainnya (biasanya energi listrik) untuk keperluan pengukuran. Jangan bingung dengan kedua istilah ini, beberapa piranti dapat saja berlaku sebagai kedua-duanya, sensor dan transduser. Untuk keperluan pembahasan kita tentang aplikasi jembatan Wheatstone, kita gunakan (dengan sangat hati-hati) istilah sensor saja di seluruh artikel ini karena lebih umum dimengerti banyak orang.

Sensor resistif adalah sensor yang bilamana ada suatu besaran fisika yang mengenainya, maka resistansinya akan berubah (R-nya berubah). Contoh di artikel ini adalah sensor strain-gauge, sensor ini adalah sensor gaya dan tekanan; apabila dikenai gaya atau tekanan maka bentuknya akan berubah, perubahan bentuknya ini menyebabkan resistansinya berubah pula.

Gambar 2. Strain Gauge

Ingat kembali dasar resistansi berikut ini

Jika panjang (l) suatu bahan berubah maka resitansi bahan tersebut akan berubah, begitu pula jika luas permukaan (A) yang dilalui arus listriknya berubah.

Oke, kita langsung saja. Jembatan Wheatstone yang diaplikasikan pada sensor bekerja dengan prinsip yang berkebalikan dengan jembatan Wheatstone yang diaplikasikan untuk mengetahui besarnya hambatan suatu resistor. Maksudnya, jembatan Wheatstone yang diaplikasikan untuk mengetahui besarnya R_x, pada mulanya Galvanometer belum seimbang, tidak menunjukkan skala nol; dan kita mengubah-ubah besarnya hambatan resistor yang dipakai (pada artikel jembatan Wheatstone, dengan menggeser-geser kabel penghubung) sampai Galvanometer menunjukkan skala nol atau seimbang. Berkebalikan dengan hal tersebut, jembatan Wheatstone yang diaplikasikan pada sensor strain gauge pada mulanya sudah dibuat seimbang, jika ada gaya yang mengenainya maka bentuk strain gauge ini akan berubah dan menyebabkan resistansinya berubah pula, karena jembatan Wheatstone yang diaplikasikan pada sensor tersebut pada mulanya seimbang, maka karena perubahan resistansi sensor strain gauge, akhirnya jembatan Wheatstone sudah tidak dalam keadaan seimbang lagi, ada tegangan yang muncul pada kabel AB (atau Galvanometer). Nah besarnya tegangan pada kabel AB ini sebanding dengan besarnya gaya yang diterima oleh sensor strain gauge; dengan faktor konversi tertentu, kita bisa mengetahui besarnya gaya yang bekerja pada sensor tersebut.

Gambar 2. Jembatan Wheatstone untuk Strain Gauge

Jika kita telusuri dari awal:

Tekanan atau gaya à Perubahan bentuk sensor strain gauge à Perubahan resistansi sensor strain gauge à Jembatan Wheatstone tidak seimbang à Tegangan muncul

Tegangan yang muncul dari ketidakseimbangan jembatan Wheatstone oleh karena perubahan resistansi sensor strain gauge sangatlah kecil karena perubahan resistansinya juga kecil; hanya dalam orde milivolt dengan tegangan input E = 12 Volt. Pada rangkaian listrik sensor, selain menggunakan jembatan Wheatstone pastilah menggunakan penguat tegangan agar tegangan yang kecil ini diperbesar beberapa ratus kali dan kemudian dapat lebih mudah dibaca oleh alat ukur.

Adapun persamaan sederhana tegangan pada kabel AB jika jembatan Wheatstone tidak seimbang adalah sebagai berikut

Untuk aplikasinya pada sensor tentu saja tidak sesederhana seperti persamaan di atas, namun persamaan di atas secara sederhana menunjukkan jika resitansi sensor (R_x) berubah maka tegangan pada kabel AB juga berubah.

Berikut gambar yang dapat membantu memahami prinsip jembatan Wheatstone pada sensor resistif secara lebih gamblang.

Gambar 3. Jembatan Wheatstone dengan Strain Gauge

Secara teori, kita bisa saja tidak menggunakan jembatan Wheatstone untuk salah satu pengondisi sensor strain gauge layaknya gambar di atas; maksudnya, kita bisa saja membuat rangkaian sederhana dengan sebuah baterai dan sebuah strain gauge; namun rangkaian sederhana seperti itu tidak dapat merespon perubahan resistansi yang sangat kecil seperti jembatan Wheatstone. Dengan jembatan Wheatstone, perubahan kecil resistansi strain gauge dapat terdeteksi.

Contoh kasus sederhana:

Jika suatu batang dengan modulus Young Y, resistansi mula-mulanya R, resistivitas ρ dan panjang mula-mula L dijadikan strain gauge maka berapakah tegangan yang terbaca jika strain gauge tersebut dikenai gaya tarik sebesar F? Berapa pula faktor konversi strain gauge tersebut?

Asumsi: kita menggunakan jembatan Wheatstone dengan R₁, R₂, dan R₃ sebesar R. Tidak ada perubahan luas penampang strain gauge selama dikenai gaya. Tegangan input sebesar E.

Gambar 4. Contoh Kasus

Kita cari tahu dulu berapa panjangnya sekarang (L’) karena tarikan gaya.

Dari definisi modulus Young yaitu perbandingan stress dengan strain bahan

didapatkan

Sekarang kita cari tahu besar resistansinya ketika strain gauge memanjang

Kita hitung tegangan listrik pada AB karena perubahan resistansinya (R’= R_x)

Akhirnya didapatkan

Faktor konversinya adalah hasil pembagian antara tegangan listrik yang muncul di AB dengan gaya yang menyebabkan munculnya tegangan listrik tersebut.

Artinya, dengan faktor konversi ini, jika strain gauge kita diberi gaya tarik sebesar F = 1000 newton, maka tegangan yang muncul adalah sebesar

Kamu bisa mencari tahu Y setiap bahan dan mencoba memvariasikan sendiri luas A dan tegangan input E pada strain gauge.

Contoh kasus di atas adalah contoh yang sangat disederhanakan. Kasus nyata melibatkan banyak hal yang perlu dipertimbangkan, seperti bentuk strain gauge, arah gaya, temperatur, dan lain sebagainya.