## PENINGKATAN SENSITIVITAS SENSOR KOIL DATAR MEMPERGUNAKAN SOFT MAGNETIC VITROVAC
T. Emrinaldi 1 , Defrianto 1 , S. Fiddunya 1 , A. Wati 1 , R. N. Setiadi 1 , L. Umar 1*
1 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Riau, Indonesia
* e-mail: lazuardi.umar@unri.ac.id

## ABSTRAK
Penelitian ini membahas tentang disain dan pembuatan sensor pengukur ketebalan logam non magnetik berbasis sensor Eddy Current yang berbentuk koil datar. Prinsip yang dipergunakan pada sensor Eddy Current adalah perubahan nilai induktansi mutual  koil akibat adanya objek  di  dalam  medan  magnetiknya.  Koil  yang  dibuat  terdiri  atas  double  layer  searah  dan  berlawanan  arah  didesain  menggunakan Software Corel Draw dicetak pada bahan printed circuit board (PCB) dengan dimensi sebesar 152.4 mm x 101.6 mm, yang memiliki jarak antar jalur (track) sebesar 0.125 mm.  Evaluasi Induktansi Double Layer dilakukan mempergunakan modul L/V Converter EVB-LDC 1000 yang mengubah  ketebalan  pelat  menjadi  nilai  induktansi.  Penambahan  lapisan  tipis  Vitrovac sepanjang 30  mm  yang dipasang searah dengan  arah  lilitan  di  dalam  inti  koil  berdiameter  2  mm  telah  dilakukan  untuk  menaikkan  nilai  sensitivitas  sensor  yang  memberikan kenaikan nilai  sensitivitas sebesar S=0.321 uH/mm atau sebesar 33.2%. Koil mampu untuk mengukur ketebalan pelat sampai dengan 10 mm dengan baik.
Kata Kunci: Sensor Eddy Current; Non-Magnetik; EVB LDC 1000; Ketebalan Pelat; Koil Datar

## ABSTRACT
[Title:  Increased  Sensitivity  Of  Flat  Coil  Sensor  Using  Vitrovac  Soft  Magnetic] This  study  reports  the  design  of non-magnetic plate thickness sensors based on Eddy Current principld in the form of flat coils. The principle used in the Eddy Current sensor is a change of mutual coil inductance due to the presence of objects in the magnetic field. The coil is made up of direct and opposite direction double layer coil designed using Corel Draw Software based on printed circuit board (PCB) material with dimensions of 152.4 mm x 101.6 mm, which has a track distance of 0.125 mm. Double layer coil inductance evaluations are carried out using the EVB  LDC 1000 L/V Converter  module  which  converts  plate  thickness  into  inductance  values.  The  addition  of  a  30  mm  Vitrovac  thin  film  mounted  in  the direction of the winding in the 2 mm diameter coil core has been carried out to increase the sensitivity value of the sensor which gives an increase in sensitivity value of S = 0.321 uH/mm or 33.2%. The coil is able to measure plate thickness up to 10 mm well.
Keywords: Eddy Current Sensor; Non-Magnetic; EVB LDC 1000; Plate Thickness; Flat Coil.

## PENDAHULUAN
Pengukuran ketebalan logam sangat diperlukan  pada  dunia  industri  seperti  logam, otomotif,  kemasan  dan  sebagainya.  Untuk  itu  telah tersedia  saat  ini  berbagai  teknologi  untuk mendeteksi,  misalnya  metode  uji  tidak  merusak (non-destructive  techniques,  NDT)  yang  banyak dipergunakan  dalam  industri  logam  untuk  menguji kualitas  material  dimana  tidak  memerlukan  kontak dengan  sampel  uji  (Martín,  2011).  Pengukur ketebalan  logam  lainnya  yang  lebih  canggih  yaitu Ultrasonic  Thickness.  Alat  ini  hanya  membutuhkan satu  sisi  dari  material  dan  penerapannya  relatif
mudah,  namun  demikian  alat  ini  mempunyai kekurangan  yaitu  harganya  yang  cukup  mahal  dan kurang sesuai untuk pengukuran material yang tipis. Metode lainnya seperti pulsed eddy  current banyak dipergunakan  untuk  aplikasi  industri  logam (Sophian, 2017).
Sensor  induktif  yang  menggunakan  prinsip Eddy Current memiliki banyak kelebihan yang dapat digunakan  seperti  hasil  pengukurannya  sangat akurat,  memiliki  sensitivitas  yang  tinggi,  mampu diujikan  pada  setiap  logam.  Untuk  mengukur ketebalan,  pemeriksaan  mutu,  penambahan  dan perawatan  permukaan  dalam  berbagai  aplikasi
teknologi  dapat  digunakan  metode  eddy  current. Untuk bahan magnetik dan non-magnetik, pengujian dapat dilakukan dengan metode Eddy current, selain itu  juga  dipergunakan  pada  bidang  otomotif  serta bidang  automatisasi  baik  untuk  industri  maupun untuk  penggunaan  sektor  pribadi  seperti  dijelaskan oleh Horsky (2005).
Emrinaldi  (2017)  telah  mengembangkan sensor induktif prinsip eddy current mempergunakan  koil  spiral  berbahan  PCB  FR4, yang  dapat  dipergunakan  untuk  menentukan ketebalan  lapisan  logam  non  magnetik  seperti tembaga dan alumunium tetapi kurang sensitif. Oleh karena  itu,  pada  penelitian  dilakukan  bertujuan untuk  meningkatkan  sensitivitas  deteksi  dengan mengkarakterisasi  koil  datar  yang  ditambahan vitrovac  mempergunakan  modul  LDC  1000 sehingga alat menjadi lebih handal dan mudah dalam mengidentifikasi ketebalan pelat. Aplikasinya sangat diperlukan  untuk  pengusaha  bengkel  las,  bengkel mobil  untuk  menentukan  ketebalan  pelat  dasar, pengrajin  pembuatan  kubah  masjid,  pengrajin  emas dan  perak  serta  pengusaha  sepuh  (chrom)  dan sebagainya  yang  memerlukan  informasi  ketebalan pelapisan logam. Alat ini dapat membantu pekerjaan para  pengrajin  sehingga  hasil  pengukuran  ketebalan akan  lebih  akurat.  Ketelitian  dan  sensitivitas  dari suatu  alat  ukur  sangat  dibutuhkan  untuk mendapatkan  hasil  yang  mendekati  nilai  yang sebenarnya.

## METODE
1. Prinsip Kerja Arus Eddy untuk Mengukur Ketebalan Pelat Eddy current dalam kelistrikan disebut juga arus Foucault (Foucault current) yang terjadi jika sebuah konduktor  digerakkan  memotong  medan  magnet, yang  berarti  adanya  perubahan  medan  melingkar konduktor  akibat  fenomena  posisi  konduktor berubah  relatif  terhadap  arah  medan  magnet  yang tetap. Prinsip kerja sensor eddy current dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Skema cara kerja eddy current (Wang, 2015)
Loop  tertutup  yang  terinduksi  dalam  bidang tegak  lurus  terhadap  fluks  magnetic  diperlihatkan pada  Gambar  1.  Arus  ini  terpusat  pada  permukaan berdekatan  dengan  sebuah  kumparan  eksitasi  dan kekuatannya menurun dengan jarak dari kumparan. Sensor induktif dikenal memiliki ketahanan terhadap kondisi  lingkungan,  salah  satu  prinsip  yang  dipakai memanfaatkan  sifat  arus  eddy  (eddy  current)  pada objek  ukur,  terutama  berkaitan  dengan  material non-feromagnetik.  Pengukuran  dengan  sensor induktif  pada  penelitian  berbentuk  planar  koil  akan menghasilkan  medan  magnetik  bolak  balik  pada ujung probe (Malik et al, 2015).
Ketika  objek  (material)  pengganggu  didekatkan dengan  medan  magnetik  maka  medan  akan menginduksikan  sejumlah  kecil  arus  eddy  dalam material. Medan magnetik yang berlawanan dengan medan dihasilkan dari sensor eddy current. Interaksi antara kedua medan magnetik ini akan berubah jika terdapat  jarak  antara  sensor  dengan  material pengganggu  (target).  Rangkaian  elektronik  sensor kemudian  mengukur  interaksi  medan  ini  dan membangkitkan tegangan keluaran yang proporsional dengan perubahan jarak diantara sensor dengan objek.
Induktansi  koil  datar  berubah  karena  gangguan dari  material  konduktif  dalam  medan  magnetic. Pengaruh  dari  arus  bolak  balik  pada  koil menyebabkan  terjadi  dua  jenis  induktansi  yaitu induktansi  diri  (self-inductance)  dan  induktansi bersama  (mutual  inductance).  Medan  magnetik interval  yang  dikenal  sebagai  induktansi  diri  dapat dihitung  menggunakan  Hukum  Biot-Savart  yang diberikan sebagai berikut.
dt dl L dt d m       …………………………(1)
2. Pengukuran Ketebalan Pelat Logam
Pengukuran  ketebalan  pelat  ini  bekerja berdasarkan  perubahan  induktansi  yang  dialami flat-coil ketika didekatkan ke material objek dengan ketebalan  yang  berbeda.  Perbedaan  ketebalan material  objek  berpengaruh  kepada  induktansi mutual  antara  flat-coil  dan  material.  Fenomena  ini terjadi berdasarkan adanya eddy current yang terjadi pada material. Ketika flat-coil yang dieksitasi dengan arus  bolak-balik  didekatkan  pada  material  non- ferromagnetic  konduktif,  medan  magnetik  primer akan  menembus  material  dan  menghasilkan  arus eddy  secara  kontinu  dan  melingkar.  Arus  yang terinduksi  yang  mengalir  pada  objek  test menghasilkan  medan  magnetik  sekunder  yang cenderung  berlawanan  dengan  medan  magnetik primer.  Sistem  flat-coil  dapat  dianggap  sebagai sistem transformator seperti pada Gambar 2.
Gambar 2. Model sistem flat-coil
Dengan menggunakan hukum Kirchoff, diperoleh dua buah persamaan yaitu:
V I M j I L j I R e    2 0 0   …………………(2)
0 1 1     I M j L L j I jI I R e e m e e   …………..(3)
dimana , 2 f    R 0 dan L 0 adalah resistansi dan induktansi  flat-coil  ketika  tidak  ada  objek  test,  Re dan L1 adalah resistansi dan induktansi arus eddy, Im adalah induktansi loss, M1=kL0 dan M2=kL1 adalah induktansi mutual antara kedua loop (Javier, 2011). Ketika tidak ada objek test di dekat flat-coil, faktor kopling  k  menjadi  nol  sehingga  impedansi,  tetapi ketika  sebuah  objek  test  didekatkan,  impedansi kompleks menjadi Zc seperti pada persamaan (4).
m e C jI L j R L L k L j R Z      1 2 1 0 2 0 0    …………..(4)
Induktansi  dari  rangkaian  primer  ditunjukkan  pada persamaan (5).       m e m C jI L R I L L L k L L      1 2 2 1 1 0 2 0 
  …………..(5)
Arus  eddy  tidak  terdistribusi  secara  homogen pada volume objek test. Aliran arus lebih besar pada permukaan,  menurun  secara  eksponensial  seiring bertambahnya jarak ke permukaan.
Penelitian ini menggunakan metode eksperimen dengan mengukur ketebalan material non magnetik menggunakan prinsip eddy current multi frekuensi. Sensor  koil  datar  (flat  koil)  merupakan  sistem deteksi  memanfaatkan  arus  eddy  yang  akan dikembangkan  dengan  multi  frekuensi  sehingga diperoleh  impedansi  pengukuran  tebal  pelat  yang berisikan informasi yang diperlukan.

## 3. Evaluasi  Induktansi  Koil  dengan  EVB- LDC 1000
Sensor  diletakkan  di  dalam  rumahan  bertujuan agar  sensor  kokoh  selama  pengukuran  yang  dapat mengeliminir  perubahan  set  up  alat.  Jarak  antara sensor  dengan  material  dibuat  konstan  yaitu  2  mm bertujuan  untuk  menghasilkan  pengukuran  yang
tidak berubah. Rangkaian elektronik dibuat terpisah dari  rumahan  prototipe  yang  dapat  dilihat  pada Gambar 3.
Gambar 3. Prototipe Detektor Eddy Current
Modul yang digunakan dilengkapi dengan perangkat lunak  LDC  1000  EVM  GUI  yang  merupakan program  untuk  menggerakkan  segala  fungsi  dari pengukuran  sensor  koil  datar  (Instrument,  2014). Modul  evaluation  board  terhubung  ke  komputer dengan  menggunakan  port  USB,  sehingga  data diperoleh dan diolah ke komputer.
Gambar 4. Interface perangkat lunak LDC EVM 1000
Gambar 4 memperlihankan interface dari perangkat lunak  LDC  1000  dengan  keterangan  1  (icon toolbar),  2  (set  kapasitansi  C0),  3  (set  waktu),  4 (perintah mulai dan berhenti), 5 (nilai induktasni L) dan  6  (penyimpanan  data  sampel).  Perintah  mulai pada  perangkat  lunak  LDC  EVM  1000  GUI berfungsi  untuk  memulai  pengukuran  dengan meletakkan  sensor  tanpa  menyentuh  objek kemudian sensor diletakkan menyentuh objek. Data hasil  pengukuran    disimpan  di  dalam  database perangkat  lunak  yang  diubah  ke  dalam  format  file yaitu csv atau txt kemudian diolah serta dimodelkan menggunakn software sehingga diperoleh grafik hasil pengukuran.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Bentuk Sensor Koil Datar
Sensor  induktif  berupa  pelat  koil  datar  yang dikembangkan  menggunakan  teknologi  Printed Circuit  Board  (PCB)  mampu  mendeteksi  jarak translasi  yang  sangat  kecil  bahkan  kurang  dari  orde 0,5  mm.  Pembuatan  sensor  koil  datar  built  in dipesan di perusahaan Spectra Bandung yang mampu membuat  PCB  dengan  resolusi  minimum  10mil (0.254  mm).  Koil  double  layer  searah  dan berlawanan  arah  ditunjukkan  oleh  Gambar  5a dan 5b.
Gambar 5a. Koil double layer searah/clockwise (DL-CW)
Gambar 5b. Koil double layer berlawanan arah (DL

## CCW)
Berdasarkan  nilai  induktansi  yang  diperoleh  koil double layar CW dua kali lebih besar dibandingkan dengan koil single layer, hal ini sesuai dengan teori bahwa penambahan jumlah koil dapat meningkatkan nilai  induktansi.  Berbeda  dengan  koil  double  layer berlawanan  arah  (CCW),  jumlah  nilai  induktansi yang  dihasilkan  menjadi  nol  dikarenakan  memiliki induktansi  yang  sama  tetapi  arahnya  berlawanan. Oleh karna itu, koil double layar searah merupakan koil  yang  optimal  digunakan  untuk  peningkatan sensitivitas sensor.

## 2. Karakterisasi Koil Datar dengan Vitrovac
Peningkatan  sensitivitas  sensor  dilakukan dengan  menambahkan  material  Soft  Magnetic  dari perusahaan  Vitrovac.  Bahan  soft  magnetic  ini merupakan bahan amorphous metals yang homogen dan memiliki struktur isotropic yang cocok  sebagai bahan  soft  magnetic,  berfungsi  untuk  menaikkan nilai  induktansi  koil  dan  menambah  fluks  magnetik dalam mendeteksi kedalaman arus eddy pada logam non  magnetik.  Gambar  6  memperlihatkan
pemasangan  lembaran  tipis  Vitrovac  pada  inti  dari koil datar.
Gambar 6. Gulungan Vitrovac pada inti koil datar
Pengukuran  induktansi  setiap  koil  ini  dilakukan menggunakan  alat  Texas  Instrument  LDC1000 EVM.  Rangkaian  Coil  Evaluation  Inductance Inductive  LDC1000  Measurement  Sensing  Sensor SPI TI ini memiliki frekuensi osilasi antara 5kHz to 5MHz  dengan  besar  kapasitansi  tangki  C  =  100pF. Oleh  karena  kapasitansi  yang  diatur  relative  kecil (C = 5pF) maka nilai arus Eddy yang berubah akibat adanya  logam  bervariasi  ketebalan.  Alat  NI LDC1000  EVM  dihubungkan  ke  perangkat komputer  dengan  software  produk  yang  sudah  di install pada computer dengan nama LDC1000 EVM GUI 1.0.4.1. Pada software tersebut diberikan input parameter pada alat seperti, sensor capacitor = 5pF dan uC  sampling rate = 1 s. Lapisan tipis Vitrovac sepanjang  30  mm  dipotong  dan  dipasang  searah dengan arah  lilitan dan ditempel pada bagian dalam lobang daripada inti koil berdiameter 2mm.
Gambar 7. Pengukuran Induktansu koil datar yang dipasang inti Vitrovac dengan variasi ketebalan pelat
Gambar  7  menunjukkan  hasil  pengkuran  koil  polos (tanpa vitrovac) dank oil dengan vitrovac. Perbedaan yang  signifikan  antara  sensor  koil  datar  polos  dan dengan sensor yang diberi Vitrovac sebesar 1mH dan terjadi  kenaikan  nilai  sensitivitas  sensor.  Kenaikan ini  memperlihatkan  kecenderungan  linier  sepanjang pengukuran  ketebalan  sampai  dengan  4mm.  Pada koil polos memberikan nilai sensitivitas
S=0.241 uH/mm  dan  koil  dengan  vitrovac  sebesar S=0.321  uH/mm  dimana  terjadi  peningkatan sensitivitas  mempergunakan  Vitrovac  sebesar 33.2%.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Pengukuran ketebalan pelat dengan penambahan vitrovac  menggunakan  modul  EVB  LDC  1000 memberikan  hasil  pengukuran  yang  presisi  dan sensitivitas yang tinggi. Koil polos  memberikan nilai sensitivitas  S=0.241  uH/mm  dan  koil  dengan Vitrovac  sebesar  S=0.321  uH/mm  dimana  terjadi peningkatan  sensitivitas  mempergunakan  Vitrovac sebesar 33.2%.

## DAFTAR PUSTAKA
Martín J.G., Gómez-Gil J. dan Sánchez E.V.,  2011,
Non-Destructive  Techniques  Based  on  Eddy current  Testing,  Sensors,  11,  pp.  2525- 2565.
Sophian  A.,  Tian  G.,  Fan  M.,  2017,  Pulsed  Eddy current  Non-destructive  Testing  and Evaluation:  A  Review,  Chin.  J.  Mech.  Eng. 30, pp.500–514.
Horsky,  P.,  2005,  LC  Oscillator  Driver  for  Safety Critical  Applications.Proc.of  DATE  05 Conference,  Designers  Forum,  Munich, Germany, pp. 34-38.
Lazuardi  U.,  1999,  Studi  Awal  Sensor  Getaran Berdasarkan  Prinsip  Induktif,  Thesis  S2, Jurusan Fisika FMIPA itb Bandung.
Emrinaldi  T.,  Salomo  S.,  H.  Yanuar,  Iwantono,
Lazuardi  U.,  2017,  Eddy  current  Sensor Berbasis  Flat  Coil  FR4  Untuk  Menentukan Ketebalan  Pelat  Logam  Non  Magnetik  Al, Spektra:  Jurnal  Fisika  dan  Aplikasinya, Volume 2 No. 3.
Wang  H.  Li  W.,  dan  Feng  Z.,  2015,  Noncontact Thickness  Measurement  of  Metal  Films Using  Eddy-Current  Sensors  Immune  to Distance  Variation,  IEEE  Transactions  on instrumentation  and  measurement,  vol.  64, no. 9, pp. 2557.
Malik U. Lazuardi U., dan Yanuar H., 2015, Sensor Planar  Induktif  Berbasis  Bahan  PCB  FR-4 Untuk  Pengukuran  Jarak  Kecil.  Prosiding Seminar  Nasional  Fisika  Universitas  Andalas (SNFUA).
Lazuardi,  1999.  Studi  Awal  Sensor  Getaran Berdasarkan  Prinsip  Induktif,  Thesis  S2, Jurusan Fisika FMIPA ITB Bandung.
Javier G., 2011, Non-Destructive Techniques Based on Eddy current Testing, Sensors, 11, 2525 - 2565.