Analisis Sistem Pengukuran Getaran MEMS Accelerometer ADXL345 (Indra Feriadi)

## ANALISIS SISTEM PENGUKURAN GETARAN MEMS ACCELEROMETER ADXL345
Indra Feriadi 1 , Fajar Aswin 2 , M. Iqbal Nugraha 3 1,2 Jurusan Teknik Mesin - Politeknik Manufaktur Negeri Bangka Belitung
3 Jurusan Teknik Elektro dan Informatika - Politeknik Manufaktur Negeri Bangka Belitung Telp.0717-93586, Fax.0717-93585, indra@polman-babel.ac.id

## Abstract
Vibration  measurement  technology  using  conventional  sensors  such  as  piezoelectric  (PZT) Accelerometer  is  still  expensive.  Currently,  many  low-cost  vibration  measuring  devices  have  been developed by using Micro Electro Mechanical System (MEMS) technology. This study aims to analyze the results  of  vibration  measurement  system  MEMS  Accelerometer  ADXL345  with  PZT  Accelerometer.  This research  applies  design  and  develop  approach  with  comparative  data  analysis  technique,  that  is comparing  data  of  result  of  measurement  of  MEMS  Accelerometer  ADXL345  to  PZT  Accelerometer Vibroport80.  The  construction  comprises  the  ADXL345  sensor  connected  to  the  Arduino  Mega  2560 microcontroller  operated  by  Widows  operating  system  and  programming  language  Arduino  IDE  1.08. Testing  of  measurements  at  Bearing  speeds  of  500,  1000,  and  1500  RPM  with  length  of  time measurements  at  5,  10,  and  20  seconds  respectively.  The  analysis  of  the  test  results  shows  that  the MEMS  Accelerometer  ADXL345  of  vibration  measurement  system  can  measure,  process  and  display vibration measurement data larger 3% than PZT Accelerometer and can provide the best measurement accuracy at 20 seconds measurement length of time.
Keywords : Measurement, Vibration, MEMS Accelerometer, ADXL345,  Arduino Mega 2560 .

## Abstrak
Teknologi  mengukur  getaran  menggunakan  sensor  konvensional  seperti  piezoelectric  (PZT) Accelerometer masih cukup mahal, kira-kira sepuluh kali lebih dari  accelerometer tipe PZT [3]. Dewasa ini telah banyak  dikembangkan alat  pengukur  getaran berbiaya  rendah  menggunakan teknologi  Micro Electro  Mechanical  System  (MEMS).  Peneltian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis  hasil  sistem  pengukur getaran MEMS Accelerometer ADXL345 dengan Piezoelectic Accelerometer. Penelitian ini menggunakan pendekatan  rancang  bangun  alat  dengan  teknik  analisis  data  komparatif,  yaitu  membandingkan  data nilai  hasil  pengukuran  sensor  sensor  ADXL345  dengan  Piezoelectric.  Konstruksi  alat  yang  dibuat  terdiri dari  sensor  ADXL345  yang  diletakkan  dalam  Housing  terhubung  dengan  mikrokontroler  Arduino  Mega 2560    yang  dijalankan    dengan  sistem  operasi  Widows  dan  diprogram  dengan  bahasa  pemrograman Arduino  IDE  1.08.  Pengujian  pengukuran  pada  kecepatan  putaran  Bearing  500,  1000,  dan  1500  RPM dengan  lama  waktu  pengukuran  masing-masing  5,  10,  dan  20  detik.  Analisis  terhadap  hasil  pengujian menunjukkan  bahwa  sistem  pengukuran  getaran  MEMS  Accelerometer  ADXL345  dapat  mengukur, mengolah  dan  menampilkan  data  getaran  hasil  pengukuran  lebih  besar  3  persen  dari  Piezoelectric Accelerometer dan memberikan akurasi pengukuran  terbaik pada lama waktu pengukuran 20 detik.
Kata kunci: Pengukuran, Getaran, MEMS Accelerometer, ADXL345, Arduino Mega 2560.

## 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pemantauan getaran yaitu memeriksa dan mengukur parameter getaran secara rutin dan terus menerus.  Getaran  pada  mesin dapat terjadi  karena  adanya  kerusakan pada poros,  bantalan, roda gigi, kurang  kencangnya  sambungan,  kurang  lancarnya  pelumasan,  kurang  tepatnya  pemasangan  transmisi dan  juga  disebabkan  karena  ketidakseimbangan  elemen  mesin  yang  berputar.    Kerusakan-kerusakan seperti  ini  akan  menimbulkan  getaran  yang  cukup  besar.  Dengan  mengukur  getaran  yang  terjadi, kerusakan mesin dapat dideteksi secara dini dan akhirnya kerusakan yang lebih jauh dapat dicegah.
Banyak teknik yang telah tersedia dipasaran untuk mengukur dan menganalisa getaran mesin, namun membutuhkan sumber daya yang mahal untuk mengidentifikasi masalah kerusakan pada mesin. Umumnya  peralatan  yang  mahal  tersebut  tersebut  menggunakan  sensor-sensor  konvensional  seperti sensor eddy-current , sensor swing coil velocity dan sensor piezoelectric accelerometer untuk melakukan pengukuran getaran [1]. Untuk mengatasi masalah biaya mahal, dewasa ini telah banyak dikembangkan alat  pengukur  getaran  berbiaya  rendah  dengan  menggunakan  sensor  dengan  teknologi  Micro  Electro Mechanical  System  (MEMS).  Dengan  teknologi  ini,  biaya  yang  dibutuhkan  kira-kira  sepersepuluh  dari accelerometer  tipe  PZT  [3].  Teknologi  Micro  Electro  Mechanical  System  (MEMS)  adalah  suatu  sistem mikro dengan  kemampuan fungsi elektromekanik baik sebagai mikrosensor maupun microactuator [2]. Sensor MEMS akselerometer merupakan sensor yang mempunyai teknologi MEMS dengan prinsip kerja yang  sama  dengan  sensor  konvensional.  Sensor  jenis  ini  bukan  merupakan  sensor  yang  umum digunakan dalam pengukuran getaran pada industri.
Beberapa  penelitian  yang  terkait  dengan  penggunaan  teknologi  MEMS  antara  lain:  Swathy.  L dan Lizy Abraham (2014), meneliti sistem pemantauan getaran memanfaatkan teknologi MEMS dengan sensor  ADXL345  tiga  sumbu  dan  AT  Mega  Microcontroller  dengan  perangkat  lunak  Labviews  untuk penerapan  di  pesawat  ruang  angkasa.  Hasil  penelitian  tersebut  menunjukkan  bahwa  sensor  MEMS digital  ADXL345  secara  konsisten  memantau  sinyal  getaran  yang  berbeda  dengan  akurasi  yang  baik; Chih-Yung Huang and Jian-Hao Chen  (2016) mengembangkan penggunaan sensor MEMS accelerometer dua sumbu ADXL001, kartu akuisisi data NI 9234, dan perangkat lunak Labvies untuk memantau getaran mesin  perkakas  dengan  hasil  nilai  pengukuran  dalam  domain  waktu  akselerometer  MEMS  lebih  besar dari  pada  akselerometer  PZT  kurang  dari  6  persen  [3];  J.  Selvakumar  and  A.  Edwin  Prakash  (2016) menggunakan  sensor  MEMS Accelerometer dengan  sistem  akuisisi  data    LABJACK  U3  yang  terhubung Raspberry Pi-2 CPU yang  dioperasikan dengan sistem  operasi LINUX dan  bahasa  pemrograman Python untuk  mengukur  getaran  bantalan  [4].  Penelitian  ini  menghasilkan  sistem  pengukuran  sederhana  yang hemat  biaya  untuk  industri  skala  kecil/menengah  dan  teknik  presentasi  data    untuk  mengidentifikasi kesalahan komponen bantalan dengan mudah.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  membuat  dan  menganalisis  sistem  pengukur  getaran  berbiaya rendah  dengan  menggunakan  sensor  MEMS Accelerometer ADXL345,  dan  Mikrocontroller  Arduino Mega 2560   yang dijalankan    dengan sistem operasi  Widows  dan  diprogram  dengan Arduino IDE 1.08. Analisis  hasil  pengukuran  dilakukan  dengan  membandingkannya  dengan  nilai  pengukuran  alat pembanding berupa sensor piezoelectric accelerometer Vibroport80.
2. METODA PENELITIAN
2.1 Tahapan Penelitian
Penelitian dilakukan dalam tiga tahapan sebagai berikut: 1. Tahap Awal: Pengumpulan data dan penentuan disain penelitian; 2. Tahap perancangan dan pembuatan alat media uji ( Bearing Kit ) dan alat pengukur getaran MEMS Accelerometer ADXL345; 3. Tahap Akhir: Pengujian sistem pengukuran getaran MEMS Accelerometer ADXL345 dan Analisis hasil pengujian ADXL345 dengan Piezoelectric.
2.2 Desain Ekperimen
1) Disain  eksperimen  sistem  pengukuran  dan  akuisisi  data  getaran  terdiri  dari  media  uji  dan  alat pengukur  getaran  seperti  ditunjukkan  pada  gambar  1,  desain  sistem  pengukuran  pada  gambar  2, dan experimental setup pada gambar 3.
Gambar 1. Disain Eksperimen
Gambar  2  menunjukkan  disain  sistem  pengukuran  getaran  yang  terdiri  dari  Bearing  kit  dan  alat pengukur  getaran  yang  terdiri  dari  Accelormeter  ADXL345,  Microcontroller,  dan  komputer penampil data.
Gambar 2. Disain Sistem Pengukuran Getaran
Gambar  3  menunjukkan Experimental  Setup Sistem  Pengukuran  dan  Akuisisi  Data  Getaran  yang terdiri  dari Bearing  kit ,  alat  pengukur  getaran  ADXL  345  dan accelerometer pembanding (Piezoelectric) beserta alat pengukur dan diagnostik Vibroport80.
Gambar 3. Experimental Setup Sistem Pengukuran dan Akuisisi Data Getaran Sensor Accelerometer ADXL345  dan Piezoelectric Vibroport  80  dipasang  pada  bagian  yang  paling dekat dengan Bearing; Perintah mulai mengakuisisi data melalui perangkat lunak Arduino IDE 1.08 dikirim  ke  mikrokontroler  untuk  memulai  pengambilan  data;  Bersamaan  dengan  perintah  mulai ambil data pada ADXL345, vibroport 80 disetting juga untuk pengambilan data dengan parameter Time  Signal dengan  frekuensi  10KHz  dan  low  pass  filter  pada  frekuensi  50-60  Hz  (sebagai  filter noise  frekuensi  listrik); Setelah  mendapatkan  data  initial,  algoritma  program  pada  mikrokontroler dimodifikasi dengan perintah penjumlahan atau pengurangan berdasarkan hasil pengukuran awal; Hasil  program  modifikasi  kemudian dikirim  ( upload) ke  memori  mikrokontroler  untuk selanjutnya dieksekusi;  Mikrokontroler  memproses  data dari  sensor  untuk  kemudian  dikirimkan  ke Komputer untuk ditampilkan.
2) Pengubah yang diukur/diamati
Data-data yang digunakan pada penelitian ini merupakan data primer yang diperoleh langung dari hasil eksperimen. Peubah yang diamati/diukur adalah tingkat ketelitian akselerasi hasil pengukuran alat yang diuji dibandingkan dengan alat pembanding. Tipe alat pembanding sebagai peubah bebas sedangkan peubah penyerta terdiri dari:
a. Lama waktu akuisisi data pada 5 detik, 10 detik dan 20 detik.
b. Kecepatan putaran motor pada 500, 1000, dan 1500 RPM.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian dilakukan dengan mengukur getaran Bearing pada kecepatan putaran 500, 1000, dan 1500  RPM  dengan masing-masing lama  waktu pengukuran selama  5 detik,  10  detik dan  20 detik. Data rata-rata nilai hasil pengujian sebagaimana ditunjukkan pada  Tabel 1 dan gambar 4 dan 5.
Tabel 1. Data Hasil Pengujian
Waktu (Detik) 500 RPM 1000 RPM 1500 RPM ADX L Vibr o Deviasi % Dev ADX L Vibr o Deviasi % Dev ADX L Vibr o Deviasi % Dev 5 0,22 0,19 0,03 3,02 0,27 0,24 0,03 3,21 0,44 0,40 0,04 3,68 10 0,22 0,19 0,03 3,02 0,27 0,24 0,03 2,56 0,44 0,41 0,04 3,59 20 0,22 0,19 0,03 3,02 0,27 0,25 0,03 2,53 0,45 0,42 0,03 2,90 Rata2 0,22 0,19 0,03 3,02 0,27 0,24 0,03 2,77 0,44 0,41 0,03 3,39
Gambar 4. Grafik Hasil Pengukuran Getaran MEMS Accelerometer ADXL345
Grafik  di  atas  menggambarkan  posisi  garis  grafik  hasil  pengukuran  MEMS Accelerometer ADXL345  pada  3  kecepatan  putaran  selalu  berada  di  atas  garis  grafik  alat  pembanding  ( Piezoelectric Accelerometer vibroport 80) dan terdistribusi relatif hampir merata pada 3 jenis waktu pengukuran. Hal ini mengindikasikan bahwa nilai pengukuran yang terjadi lebih besar 0,03 – 0,04 m/s 2 atau  3% dari PZT
Accelerometer Vibro80.  Nilai  ini  masih  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  hasil  penelitian  [3]  yang mendapatkan  nilai  pengukuran  MEMS  Accelerometer  lebih  besar  dari  PZT  accelerometer  kurang  dari 6%.  Hasil  pengujian  ini  juga  menunjukkan  bahwa  pada  kecepatan  1500  RPM,  kedua  alat  menunjukkan terjadi kenaikan getaran yang cukup besar, yaitu rata-rata hampir sebesar 0,2 m/s 2 . Hasil  pengujian  juga  menunjukkan  bahwa  semakin  lama  waktu  pengukuran  maka kecenderungan  terjadi  penurunan  deviasi  hasil  pengukuran  MEMS  Accelerometer  ADXL345 sebagaimana ditunjukkan  pada  gambar  5. Dimana pada  waktu  5 detik  rata-rata 3,30%,  waktu  10 detik rata-rata  3,06%,  dan  pada  waktu  20  detik  rata-rata  sebesar  2,81%.  Hal  ini  mengindikasikan  bahwa semakin lama waktu melakukan pengukuran maka akurasi pengukuran semakin baik.
Gambar 5. Akurasi Hasil Pengukuran ADXL345 terhadap Lama Waktu Pengukuran

## 4. SIMPULAN
Penelitian  ini  menghasilkan  sistem  pengukuran  getaran  yang  sederhana  dimana  dengan menggunakan sensor Accelerometer ADXL345, pemroses data Mikrokontroler Arduino Mega 2560 serta perangkat  lunak  Arduino  IDE  1.08  dapat  mengukur  dan  menampilkan  data  getaran  pada  kecepatan putaran yang berbeda-beda dengan hasil pengukuran lebih besar 3% dari PZT Accelerometer dan dapat memberikan akurasi hasil terbaik pada lama waktu pengukuran 20 detik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. Broch, Jens Trampe, Mechanical Vibration and Shock Measurements. 2nd Ed. Soborg: K. Larsen & Son, 1985.
[2]. L,  Swathy.  Lizy  Abraham,  “Vibration  Monitoring  Using  MEMS  Digital  Accelerometer  with  Atmega and  LabVIEW  Interface  for  Space  Application”, International  Journal  of  Innovative  Science, Engineering & Technology . Vol. 1, 2014.
[3]. Chih-Yung  Huang  and  Jian-Hao  Chen,  “Development  of  Dual-Axis  MEMS  Accelerometers  for Machine Tools Vibration Monitoring”, Jurnal Appled Science , 6, 201; doi:10.3390, 2016.
[4]. J. Selvakumar and A. Edwin Prakash, “Data Acquisition System and Signal Processing Technique for Bearing  Fault  Analysis”, Indian  Journal  of  Science  and  Technology ,  Vol  9(31),  DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i31/92769, August 2016.