Piezoelectric Impact Sensor untuk Pengukuran Water Impact pada Pengujian Model Bangunan Kelautan di Laboratorium Hidrodinamika BPPT
Taufiq Arif Setyanto 1 , Hari Subagja 1 , Chandra PZM. 1 dan Nurhadi 1

## Abstrak
Salah satu hasil perancangan sensor berbasis piezoelectric material untuk pengukuran beban impact telah  berhasil  dilakukan. Contoh  penggunaan/  penerapan sensor  ini  adalah  untuk  mengetahui  respon benturan/impact pada proses mating pengujian model bangunan kelautan (lepas pantai) pada kolam uji. Untuk mengetahui  karakteristik  sensor  pada  kondisi penggunaan  pada kolam  uji, sebelum  pengujian telah  dilakukan proses  kalibrasi terlebih  dahulu.  Sebagai  acuan  alat  ukur digunakan  seperangkat  alat ukur  berupa  load  cell  untuk  pengukuran.  Sedangkan untuk  mengengukur beban  impact  sebenarnya digunakan seperangkat komputer dengan software bantu dan interface yang berfungsi untuk pembacaan signal keluaran baik dari load cell maupun dari impact sensor.

## Kata kunci : impact sensor, piezoelectric material, beban impact

## Abstract
The  impact  sensor  for  impact  load  measurement  was  developed.  The  sensor  was  intended  to measure the impact response of the offshore structure model on mating process in hydrodynamic test basin. The calibration of the impact sensor was carried out to examine the characteristic of the sensor. To know how big the load force was applied to the sensor, a load cell was used as a reference. A set of the computer with the supported software was used to read the output of the sensor and the load cell respectively.

## Keywords : impact sensor, piezoelectric material, impact load

## PENDAHULUAN
Beban impact yang  ditimbulkan  pada  proses tumbukan  antara  dua  media  merupakan  salah  satu fenomena yang menjadikan factor/bahan pertimbangan dalam  suatu  desain/perencanaan struktur, diantaranya dalam bidang desain kendaraan atau peluncuran/bangunan  kelautan.  Dengan  mengetahui salah satu respon dari tumbukan tersebut, berbagai hal yang  berhubungan  dengan  parameter  desain  segera bisa ditentukan.
Laboratorium  Hidrodinamika,  UPT-BPPH  BPPT sebagai salah satu institusi penelitian bidang kelautan, salah  satu kegiatannya  adalah  menguji  proses launching bangunan  lepas  pantai, yang dalam  salah satu  tahapannya melakukan pengukuran  beban impact antara bagian struktur yang saling bertumbukan. Untuk  maksud  tersebut  dibutuhkan  sensor  mekanis
yang  diharapakan  bisa  mengukur  beban  tumbukan. Sensor mekanis berbasis strain gauge sebagai sensing element saat  ini  merupakan  sensor  mekanis  yang paling populer untuk digunakan pengukuran  beban impak  yang  relatif  besar.  Akan  tetapi  pada  beberapa kasus  pengujian,  seperti  halnya  pengujian model bangunan  lepas  pantai,  sensor  mekanis  dengan menggunakan strain  gauge mengalami  beberapa kendala  baik  dari  segi  dimensi,  berat maupun  sifat fleksibilitasnya.
Untuk  maksud  tersebut  maka  dirancang  sensor lain berbasis material piezoelectric. Material piezoelectric adalah  suatu  material  yang  akan menimbulkan electric charge jika material  tersebut mengalami  perubahan  deformasi  baik  akibat tertarik atau tertekan yang diakibatkan oleh beban tarik, beban tekan  atau bending.  Salah  satu  material piezoelectric yang  dipakai  untuk  sensor  ini  adaalah  PVDF
1 UPT    BPPH - BPPT, Surabaya
(Polyvinylidene  fluoride)  yang  telah  ditemukan  oleh Kawai.  Berdasarkan  sifat-sifat material tersebut  maka sensor  mekanis  untuk  pengukuran  beban impact pada proses  pengujian  bangunan  kelautan dapat didisain. Penulis  juga  telah  mengembangkan  sensor  berbasis piezoelectric material untuk  pengukuran  beban dinamis (Taufiq, 2005), dan juga pengembangan lebih jauh  untuk impact  sensor secara  umum  (Fujimoto, 2007).
Untuk  menentukan  karakteristik  sensor  tersebut, maka  perlu  dilakukan  proses  kalibrasi  dengan menggunakan  seperangkat  komputer  dengan  dibantu software LABVIEW untuk pembacaan signal keluarannya. Sedangkan beban yang diukur dibandingkan  juga  dengan  sensor  mekanis  lainnya, load cell sebagai referensi alat ukur.

## DESAIN SENSOR
Desain  sensor  ini  dimaksudkan  untuk  mengukur beban  benturan/  tumbukan antara  bagian  bagian struktur  atas  suatu  bangunan  lepas  pantai  dengan struktur bawahnya dengan berbagai kondisi pengujian. Sensing  element dari  sensor  ini  terbuat  dari  material piezoelectric - PVDF  (polivinilydene  fluoride)  film dirakit bersama material lainnya yaitu sejenis karet dan metal.  PVDF  film  sebagai sensing  element dibentuk melingkar  sesuai  dengan  dimensi  permukaan  struktur yang  diukur.  Untuk  mengirimkan  signal  listrik  dari gaya  yang  terukur  dari  permukaan  film  ke peralatan ukur,  maka  dibuat  terminal  yang  berasal  dari  metal tape  dengan  lem conductor yang  disambung  dengan kabel dengan proses solder. Gambar sensor selengkapnya ditunjukkan pada Gbr. 1.
Gbr 1. Impact sensor

## PENGUKURAN KELUARAN SENSOR
Signal  keluaran  dari  sensor impact ini  diukur/dibaca oleh  seperangkat  komputer.  Gbr. 2  menunjukkan rangkaian  elektronik    dari impact  sensor tersebut.  C 1
adalah nilai kapasitas dari PVDF film (impact sensor), C 2 adalah  nilai  kapasitas  dari  rangkaian  elektronik sedangkan R 0 adalah internal resistance dari peralatan ukur/ peralatan baca.
Jika  suatu  beban  luar  (P.sin  t)  diterapkan  pada impact sensor, voltase keluaran V out yang diukur/dibaca  oleh  alat  ukur  dan  sudut  fasa  keluarannya bisa dirumuskan sebagai berikut :
      2 1 2 0 0 1 C C R kP x R V out      (1)
    2 1 0 1 / 1 tan C C R      (2)
dimana k adalah koefisien.
Dikarenakan pemakaian  material  PVDF  film sangat  sedikit  (sangat  kecil  luasannya)  maka  nilai kapasitance C 1 sangat kecil (hanya beberapa nF). Oleh karena itu dengan penambahan kapasitor yang nilainya relatif besar sekitar 4 μ F maka keluaran sensor impact tersebut  akan  sebanding  dengan  beban  luar  yang terjadi.

## Gbr.2 Rangkaian listrik pada pemakaian impact sensor

## KALIBRASI SENSOR
Pengujian  karakteristik  impact  sensor  seperti misalnya sensitifitas, linearitas terhadap beban rencana juga  kemampuan  berulang  signal  keluarannya, dilakukan  melalui pengujian  kalibrasi.  Hal  ini dilakukan  dengan  cara  memberikan  beban  impact terhadap sensor dengan variasi beban yang beragam.
Gbr. 3  menunjukkan  pengaturan  kalibrasi impact sensor. Untuk  mengetahui  besar  beban  impact  yang diberikan  terhadap  sensor,  diperlukan  alat  ukur  beban lainnya  sebagai  referensi  beban.  Hal  ini  digunakan load  cell. Impact  sensor diletakkkan  di  atas  load  cell dan dilekatkan secara kuat. Untuk membuat permukaan bawah dan atas sensor menjadi benar benar datar,  maka  kedua  permukaan  atas  dan  bawah dipasang plat datar.
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 Tim e, s L o a d c e ll o u tp u t, V 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 Tim e, s Im p a c t e n so r o u tp u t, V -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6.85 6.9 6.95 7 Time, s L o ad c el l, V -0.05 -0.03 -0.01 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 Im p ac t s en so r, V Load cell Impact sensor 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0 50 100 150 200 250 Load cell, K g Im p a c t s e n s o r, V

## Gbr. 3    Set-up kalibrasi

## KARAKTERISTIK IMPACT SENSOR
Untuk  mengetahui  salah  satu  karakteristik  dari impact sensor ini, disamping dilakukan kalibrasi untuk mengetahui  hubungan  gaya  luar  dengan  keluaran sensor,  dilakukan  juga  pengecekan/pembadingan signal  keluaran  antara  load  cell  sebagai  alat  ukur referensi  dengan  impact  sensor  tersebut.    Gambar  4 menunjukkan  signal  keluaran  load  cell  dan sensor yang  diambil  dengan  cara  pemberian  beban  impact yang semakin membesar. Pada gambar tersebut terlihat dengan  semakin  besar  beban impact  yang  diberikan dengan  cara  memberikan  pukulan di  atas  sensor  yang dilekatkan  pada  load  cell,  maka  semakin  besar  pula keluaran  signal  baik  signal  load  cell  maupun  signal dari sensor.
Gbr. 5  menunjukkan  salah  satu  keluaran  dari  satu pukulan  yang  diambil  dari  rangkaian  keluaran  signal keluaran dari Gbr. 4. Dari gambar tersebut secara jelas ditunjukkan  bahwa  ada  kesamaan dan  kesebandingan antara keluaran dari impact sensor dengan load cell.
Karakteristik  lainnya  adalah  linearitas  atara  besar beban  impak  yang  diberikan  dengan  keluaran  sensor. Gbr. 6  menunjukkan  hubungan  antara  besarnya keluaran  sensor impact dengan  besar  beban impact yang  diberikan.  Dari gambar  tersebut  terlihat  bahwa keluaran  sensor  impak terlihat linear  sampai  beban luar yang diberikan sekitar 200 Kg.
Gbr. 4 Signal keluaran dari load cell (atas) dan impact sensor (bawah) terhadap beban impact
Gbr. 5 Contoh salah satu signal keluaran dari load cell dan impact sensor
Gbr. 6 Hubungan antara keluaran impact sensor dan load cell

## PENGGUNAAN IMPACT SENSOR PADA PENGUJIAN MODEL BANGUNAN LEPAS PANTAI
Gbr. 7 Impact sensor terpasang pada model uji
Pada  Gbr. 7 menunjukkan  bagian  kecil  dari  struktur atas dan struktur bagian bawah model bangunan lepas pantai yang sedang diuji di Laboratorium Hidrodinamika  UPT- BPPH  BPPT  Surabaya.  Salah satu tujuan pengujian tersebut adalah untuk mengetahui respon impact bagian atas dan bawah pada saat launching.    Untuk maksud tersebut maka impact sensor di  pasang  pada  salah  satu  bagian  (bagian  atas) kaki  struktur  tersebut,  sehingga  diharapkan  segala beban  yang  terjadi akibat tumbukan/  benturan  saat bagian  bagian  atas  diletakan  pada  bagian bawah struktur berupa impact dengan  berbagai  variasi frekuensi  beban impact dan  juga  beban  tekan  dinamis yang mendekati statis juga bisa di rekam dengan baik.

## KESIMPULAN
Tulisan  ini  menguraikan  tentang penggunan impact  sensor yang  dikususkan  untuk  mengukur beban-beban  impact  suatu  bagian  bangunan  lepas pantai pada saat pengujian di kolam uji, Laboratorium Hidrodinamika UPT-BPPH BPPT Surabaya. Dari hasil kalibrasi dan  uji  coba diketahui  bahwa  desain  sensor impact layak  digunakan sebagai  alat  ukur untuk pengujian tersebut.
Hal  lain  yang dapat menjamin  bisa  digunakannya sensor tersebut untuk pengujian bangunan lepas pantai adalah :
1. Besar  beban  impact  rencana  yaitu  sekitar 250  Kg  bisa  dipenuhi oleh  desain  sensor PVDF.
2. Adanya kesamaan dan kesebandingan antara keluaran    impact  sensor  dan load  cell yang dipakai sebagai referensi alat ukur.
3. Demensi  sensor  dengan  diameter  20  cm sesuai dengan kebutuhan pengujian di kolam uji.

## DAFTAR PUSTAKA
Fujimoto,  Y.,  Taufiq  A.  Setyanto (2007), Sheet  type impact force sensor by the use of piezoelectric film, Journal  of  The  Japan  Society  of  Mechanical Engineers (JSME), Vol.07, No.725 (C).
Kawai,  H.  The Piezoelectricity  of poly  (vinylidene fluoride),  Journal  of Applied.  Physics. Vol. 8,
Japan, pp 975-976.
Taufiq  Arif  Setyanto,  et  al.  (2005),  Piezoelectric  pad sensor  for dynamic  load  measurement,  Bulletin  of the Graduate School  of Engineering,  Hiroshima University- Japan, Vol. 54, No. 1.