## PERANCANGAN PERAGA SENSOR KETUKAN UNTUK MEDIA PEMBELAJARAN

## DESIGN OF KNOCK SENSOR MODEL FOR INSTRUCTIONAL MEDIA
Dwi Sudarno Putra 1 , Donny Fernandez 1 , Yogianda Aprilindo 1 1 Pendidikan Teknik Otomotif, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Padang, Jl. Prof. Dr. Hamka, Kampus UNP Air Tawar, Padang 25132 otomotifunp@gmail.com
Diterima: 27 Oktober. Disetujui: 21 November 2016. Dipublikasikan: 30 Desember

## ABSTRACT
The sensor is part of the electronics technologies. In fact, sensor technology is widely used in various fields of life, including automotive. Even the development of automotive technology today leads to the use of sensors and actuators combined with the function of the electronic control unit  (ECU). For most junior automotive learners,  knowledge  of  the  sensor  is  a  new  thing.  Understanding  of  the  fundamentals  of  a  technology  is absolutely  necessary  before  proceeding  to  more  complex  discussion  stage.  For  that  it  is  necessary  to  the development  of  a  method  of  learning  about  the  sensors  that  are  practical,  efficient  and  close  to  the automotive  technology so  that  junior  automotive  learners able  to  understand  the  basics of  sensor  quickly. This journal describes the research that has successfully developed the knock sensor experimental module . This sensor is one of important sensors in the automotive field. The method used is the method of Research and Development.
Keywords: automotive sensors, position sensors, knock sensors, instructional media

## ABSTRAK
Sensor  merupakan  bagian  tak  terpisahkan  dari  bidang  ilmu  elektronika.  Teknologi  sensor  dalam perkembangannya  banyak  dimanfaatkan  di  berbagai  bidang  kehidupan,  termasuk  bidang  otomotif. Bahkan perkembangan teknologi otomotif saat ini mengarah pada penggunaan sensor dan aktuator yang dipadu dengan fungsi unit pengaturan elektronis (ECU). Bagi sebagian besar peserta didik jurusan/bidang otomotif,  pengetahuan  tentang  sensor  merupakan  hal  yang  baru.  Pemahaman  dasar-dasar  sebuah teknologi  mutlak  diperlukan  sebelum  berlanjut  ke  tahap  pembahasan  yang  lebih  luas  dan  kompleks. Sehubungan  dengan  dua  hal  di  atas  maka  dirasa  perlu  untuk  mengembangkan  sebuah  metode pembelajaran tentang sensor  yang praktis, efisien dan dekat dengan teknologi otomotif agar peserta didik dari jurusan/bidang otomotif mampu dengan cepat memahami dasar-dasar dari sensor. Jurnal ini mengungkapkan  hasil  penelitian  yang  telah  berhasil  mengembangkan  peraga  sensor  ketukan.  Sensor tersebut merupakan salahsatu sensor penting dalam bidang otomotif. Metode penelitian yang digunakan adalah metode Riset dan Development.
Kata Kunci: sensor otomotif, sensor posisi, sensor ketukan, alat peraga sensor

## VANOS JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING EDUCATION
http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/vanos ISSN 2528-2611, e-ISSN 2528-2700 Vol.1, No.2, Desember 2016, Hlm.135-142.

## PENDAHULUAN
Kehidupan manusia modern  tidak bisa  lepas  dari  pemanfaatan  sensor  dan tranduser.  Seperti  yang  sudah  diketahui bersama  awal  sensor  dan  tranduser  adalah dari  bidang  elektronika.  Bidang  otomotif adalah  salahsatu  bidang  yang  secara perlahan  tapi  pasti  mulai  memaksimalkan peranan  teknologi  sensor  dan  tranduser. Bahkan  ada  yang  telah  mengelompokkan kajian otomotif dan elektronik ini ke dalam bidang turunan baru yaitu Ototronik.
Dahulu, sistem untuk
menggerakkan motor bensin maupun motor disel  didominasi  oleh  proses  mekanis. Namun  sekarang  proses  mekanis  di  dalam sebuah kendaraan telah dibantu oleh sistem elektronis  yang  terkendali  secara  otomatis. Hal  ini  tidak  hanya  meningkatkan  efisiensi kerja  mesin  namun  juga  meningkatkan kenyamanan dan keamanan selama berkendara.  Sensor  dan  tranduser  banyak digunakan dalam sistem elektronis ini.
Sebagai  contoh,  untuk  mengetahui seberapa banyak udara yang akan masuk ke proses  pembakaran  maka  diperlukan sebuah  sensor  aliran  udara  atau  sensor masa  udara  (MAF).  Contoh  lainnya  adalah untuk  mengetahui  kadar  kandungan oksigen  maka  digunakanlah  sensor  oksigen (O2  Sensor).  Ada  juga  Knock  Sensor  yang berprinsip  pada  sifat  Piezoelectric  yang digunakan untuk mengetahui ritme ketukan yang  terjadi  di  blok  silinder  mesin.  Ketiga contoh  tersebut  adalah  penggunaan  sensor
dalam  kaitannya  dengan  efisiensi  kinerja mesin kendaraan.
Tidak hanya itu, sensor juga dapat
digunakan dalam sistem keamanan kendaraan seperti pada sistem pengereman ABS  ( Antilocked  Braking  System )  yang memanfaatkan  informasi  dari  sensor kecepatan pada setiap roda. Ada juga sistem Active  City  Stop yang  diperkenalkan  oleh salah  satu  produsen  otomotif,  sistem  ini mampu memantau kendaraan atau halangan  di  depan  mobil  hingga  jarak sekitar  7,6  meter.  Sistem  ini  menggunakan sensor Light  Detection  And  Ranging yang tersemat di bagian atas kaca depan.
Dan  masih  banyak  lagi  sensor  – sensor  yang  digunakan  dalam  bidang otomotif.  Teknologi  sensor  menjadikan perkembangan kendaraan menjadi semakin “pandai” atau lebih dikenal dengan sebutan Smart  Vehicle atau Smart  Car .  Tuntutan perkembangan  ilmu  dan  juga  teknologi otomotif  seperti  yang  telah  dipaparkan  di atas  “memaksa”  peserta  didik  teknik otomotif untuk mempelajari tentang Sensor dan  Tranduser.  Sejak  tahun  2010  Jurusan Teknik  Otomotif  UNP  memasukkan  mata kuliah  sensor  dan  tranduser  pada kurikulum Prodi S1 dan D3. Mengingat mata kuliah ini masih tergolong baru maka upaya pengembangan  terus  dilakukan,  termasuk ketersediaan  sarana  yang  masih  minim seringkali  membuat  proses  belajar  belum dapat dilakukan secara maksimal.
Beberapa  alat  peraga  tentang sensor  dan  tranduser  yang  ada  di  pasaran cenderung  menggunakan  pendekatan  ilmu
elektronika.  Bagi  peserta  didik  jurusan teknik  otomotif  penggunaan  alat  peraga semacam  itu  terkadang  kurang  efektif karena beberapa alat peraga tersebut harus memerlukan pengetahuan awal/dasar tentang  ilmu  elektronika.  Tujuan  dari penelitian  yang  sudah  dilakukan  kali  ini adalah  untuk  membuat  sebuah  peraga sensor  ketukan  sedemikian  rupa  sehingga penggunanya dapat melihat sinyal keluaran sensor  ketukan,  memahami  karakteristik sensor  ketukan  yang  didasari  oleh  prinsip fisis efek piezoelektrik.

## LANDASAN TEORI

## Alat Peraga Pendidikan
Pengertian Alat Peraga Pendidikan menurut  Sudjana  (2009)  adalah  suatu  alat yang  dapat  diserap  oleh  mata  dan  telinga dengan tujuan  membantu  guru  agar  proses belajar  mengajar  siswa  lebih  efektif  dan efisien 2) oleh  sebab  itu  peraga  pendidikan hendaknya dibuat sedemikian rupa sehingga  mudah  untuk  digunakan  dan mudah  untuk  dipahami.  Agar  pemahaman cepat  didapatkan  maka  sebuah  alat  peraga hendaknya dibuat sedekat mungkin dengan pengetahuan  awal  yang  telah  dimiliki  oleh yang  akan  menggunakannya.  Misalnya seorang  dengan  latar  belakang  pendidikan teknik  otomotif  akan  lebih  mudah memahami  konsep  tentang  sensor  jika  alat peraga  sensor  yang  digunakan  memiliki kaitan  dengan  proses  yang  ada  di  bidang otomotif.

## Sensor di Bidang Otomotif
Fraden Jacob (2010) mengungkapkan bahwa sensor didefinisikan sebagai piranti yang menerima  dan  merespon  sinyal  atau stimulus.  Masih  dari  buku  yang  sama disebutkan ada beberapa prinsip fisis dasar yang  mendasari  proses  penginderaan  oleh sensor.  Prinsip  dasar  tersebut  adalah: Konsep  Kelistrikan  (Tegangan,  Arus  dan Hambatan), kapasitansi, Induksi Elektromagnetik,  Efek  Piezoelektrik,  Efek Pyroelektrik, Efek Hall, Efek Thermoelektrik. Karakteristik  dari  sebuah  sensor mutlak  untuk  dipahami  bagi  setiap user
yang ingin menggunakannya. Masih menuruta Fraden Jacob (2010), Karakteristik  yang  dimiliki  oleh  sebuah sensor  bisa  jadi  satu  atau  beberapa  hal berikut  ini;  Transfer  Function,  Full-Scale
Input  (Span),  Full-Scale  Output,  Akurasi,
Kalibrasi,
Hysteresis,
Saturation, Repeatability  Eror,  Deadband,  Resolution, Sifat  Khusus,  Impedansi  Output,  Format Keluaran,  Eksitasi,  Karakteristik  dinamis, Faktor Lingkungan, Reliability,
Karakteristik, Aplikasi dan Ketidakpastian.
Karakteristik  dari  sensor  biasanya disebutkan  dalam  buku  petunjuk  teknis ( data  sheet )  sensor  yang  dikeluarkan  oleh setiap perusahaan pembuat sensor tersebut. Memahami  karakteristik  sebuah  sensor akan  memastikan  sistem  penyensoran  atau lebih  luas  sistem  pengendalian  akan berjalan sebagaimana yang diinginkan.
Pada  aplikasi  otomotif  sensor  dan tranduser tidak hanya terbatas pada proses utamanya  yaitu  mesin  otomotif,  tetapi  juga telah dimanfaatkan untuk fitur keselamatan dan  kenyamanan.  J.  Marek  (2003) menunjukkan banyak sekali aplikasi sensor dalam dunia otomotif. Lebih dari 20 aplikasi sensor  yang  diterangkan  dalam  buku tersebut.  Mulai  dari Accelerometers , Yaw- Rate  Sensor,  Pressure  Sensor,  Temperature Sensor hingga aplikasi Chemical Sensors .

## Sensor Ketukan
Salah  satu  cara  untuk  mengetahui kondisi  proses  pembakaran  di  dalam sebuah mesin adalah dengan
“mendengarkannya”  menggunakan  sistem piezoakustik  seperti  yang  diungkapkan  J. Marek  (2003).  Salahsatu  aplikasi  dari konsep  ini  ada  pada  sensor  ketukan  atau knock sensor . Menurut Toyota Team (1999)
Sensor  Ketukan  mendeteksi  ketukan  pada mesin dan mengirimkan sinyal tegangan ke bagian  ECM  ( Electronics  Control  Module ).
Lokasi sensor ketukan seperti terlihat pada gambar 1 bagian a, terletak pada bagian luar silinder  mesin  untuk  mendengarkan terjadinya ledakan di ruang bakar.
Gambar 1. Lokasi sebuah Knock Sensor pada sebuah mesin bakar (Toyota Team (1999))
(b)
Gambar 2. konfigurasi sebuah Knock Sensor pada sebuah mesin bakar (Toyota Team (1999))

## Efek Piezoelektrik
Sensor  Ketukan  menggunakan konsep piezoelectric .  Dari  gambar  1  bagian b,  di  dalam  sensor  ini  terdapat  elemen piezoelektrik  yang  akan  menghasilkan tegangan  manakala  tekanan  atau  getaran mengenai sensor ini. Menurut Toyota Team (1999)  sensor  ini  digunakan  untuk mengatur  frekuensi  dari  ketukan  mesin.
Prinsip penginderaan piezoelektrik
dijelaskan pada gambar 2.
Gambar 3. Ilustrasi Efek Piezoelektrik pada sebuah Quartz Crystal (Fraden Jacob (2010)) Posisi  a  adalah  manakala  kondisi normal  semua  sisi  memiliki  potensial  Nol karena atom (+) dan (-) di semua sisi saling menetralkan.  Saat  kondisi  b  manakala  ada tekanan dari sisi kanan dan kiri maka pada sisi  atas  didominasi  oleh  atom  positif  (+) dan  yang  bawah  didominasi  oleh  atom negatif  (-)  sehingga  terbentuklah  polaritas. Pada kondisi c berkebalikan dengan kondisi
b  manakala  terjadi  peregangan  ke  arah kanan  dan  kiri  maka  pada  sisi  atas didominasi  oleh  atom  negatif  (-)  dan  yang bawah  didominasi  oleh  atom  positif  (+) (Fraden Jacob (2010)).

## Sinyal Keluaran Sensor
Diambil  dari  Toyota  Team  (1999) bentuk sinyal keluaran dari sensor ketukan saat terjadinya ketukan seperti terlihat pada gambar 3. Ketika terdeteksi adanya ketukan maka nilai tegangannya akan naik (Gambar 3  a).  Kemudian  vibrasi  yang  terjadi  dari knocking mesin akan menggetarkan elemen piezoelektrik sehingga menimbulkan
tegangan,  dan  tegangan  yang  terjadi  pada saat inilah yang terbesar nilainya (Gambar 3 b) .
(a)
(b)
Gambar 4. Bentuk sinyal keluaran sensor

## METODE PENELITIAN
Penelitian  dilakukan  di  laboratorium
Sensor dan Tranduser Jurusan Teknik
Otomotif  Universitas  Negeri  Padang  pada bulan  Februari  2016  -  Maret  2016.  Metode penelitian  yang  digunakan  adalah  metode Penelitian  Pengembangan  (Research  and Development).  Penelitian  diawali  dengan mengumpulkan  data  awal  yang  meliputi kebutuhan sistem/alat yang akan dikembangkan, mendesain alat peraga, membuat peraga dan melakukan pengujian alat peraga.
Peraga dibuat dengan
menggunakan  sebuah  sensor  ketukan ( knock  sensor ),  pipa  dan  piston,  motor listrik  dan pengontrol  kecepatannya. Untuk melakukan pengujian sekaligus pemakaiannya dibutuhkan sebuah osiloskop.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Desain  dan  Hasil  Alat  Peraga  Sensor Ketukan
Peraga  dirancang  menggunakan sebuah silinder dengan satu sensor ketukan. Untuk    menggerakkan  piston  di  dalam silinder  digunakan  motor  listrik  yang dilengkapi pengatur kecepatan.
Gambar 5. Desain peraga Sensor Ketukan
Penutup diujung silinder dilengkapi  dengan  baut  spring  yang dimaksudkan  untuk  menimbulkan  efek ketukan.  Alat  peraga  sensor  telah  selesai dibuat  dan  hasilnya  dapat  dilihat  seperti pada gambar 4 dan gambar 5.
Gambar 6. Peraga Sensor Ketukan

## Ujicoba dan Pembahasan
Peraga  praktikum  sensor  ketukan telah  berhasil  dibuat.  Selanjutnya  adalah pengujian  fungsi  dari  alat  peraga  ini.  Uji yang  dilakukan  meliputi  uji  prinsip  fisis penginderaan  efek  piezoelektrik  dan  uji
karakteristik  keluaran  sensor.  Pengujian keduanya  dapat  diperoleh  dari  hasil pembacaan  osiloskop.  Gambar  6  adalah contoh hasil pembacaan osiloskop.
Gambar 7. Contoh pembacaan osiloskop
Terlihat  bahwa  getaran  yang  ada pada mesin dalam hal ini peraga praktikum terbukti  dapat  menimbulkan  tegangan listrik  yang  dikeluarkan  oleh  sensor ketukan.  Hal  ini  sesuai  dengan  konsep prinsip fisis penginderaan efek piezoelektrik. Kemudian  jika  dilihat  bentuk gelombang  pada  gambar  6  hampir  serupa dengan gambar 3 bagian b ada bagian yang beramplitudo rendah ada yang beramplitudo  tinggi.  Komponen  sinyal gelombang  yang  ada  di  gambar  6,  bagian yang  memiliki  amplitudo  tinggi  adalah puncak  dari  ketukan  atau  saat  dimana piston menyentuh bagian penutup sehingga waktu  dari  puncak  satu  ke  puncak berikutnya  adalah  waktu  sekali  putaran piston.

## KESIMPULAN
Alat  peraga  praktikum  sensor ketukan  telah  berhasil  dirancang  dan dibangun  dalam  penelitian  ini.  Dari  hasil ujicoba  alat  peraga  praktikum  sensor ketukan  ini  dapat  digunakan  untuk membuktikan  prinsip  fisis  penginderaan efek  piezoelektrik  dan  membuktikan karakteristik sinyal keluaran sensor ketukan.  Semakin  kuat  ketukan  maka semakin  tinggi  sinyal  yang  dihasilkan  dan frekuensi  dari  gelombang  sinyal  keluaran bergantung  pada  kecepatan  ketukan  yang diterima oleh sensor ketukan.

## DAFTAR PUSTAKA
Fraden  Jacob  (2010). Handbook  of  Modern Sensors Physics, Designs and Applications  4th  Edition ,  New  York  : Springer
J.  Marek  (2003). Sensors  for  Automotive Applications, WILEY-VCH Verlag
GmbH & Co. KGaA Nana  Sudjana,  Ahmad  Rivai  (2009). Media Pengajaran .  Bandung  :  Sinar  Baru Algesindo
Toyota  Team  (1999). Automotive  Technical Training  Series .  Diambil  pada  tanggal 10 Agustus 2015, dari http:// www.autoshop101.com .