## Desain Sensor Getaran Frekuensi Rendah Berbasis Fluxgate
1 Yulkifli , 1 Hufri, 2 M.Djamal
1 KK Fisika Instrumentasi,Prodi Fisika, FMIPA, Universitas Negeri Padang Jl. Prof Dr. Hamka Kampus UN P Air tawar Padang 25131, Telp. (0751)51260
2 KK FTETI, Prodi Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa No. 10 Bandung
1 yulkifliamir@yahoo.com
1 hufri_unp@yahoo.co.id 2 mitradjamal@yahoo.com

## Abstrak
Makalah  ini  menjelaskan  kemampuan  fluxgate  untuk  mengukur  getaran  dalam  rentang  frekuensi rendah. Getaran diukur berdasarkan perubahan medan magnet luar terjadi karena adanya perubahan jarak antara probe sensor fluxgate dengan objek yang bergetar. Berdasarkan prinsip harmonisa kedua untuk fluxgate,  besarnya  intensitas  medan  magnet  luar  yang  terukur  sebanding  tegangan  keluaran sensor dan berbanding terbalik  dengan jarak. Optimasi statik terhadap jarak maksimum (amplitudo) antara  probe  fluxgate  dengan  objek  bergetar  diperoleh  ketika  jarak  2  cm.  Sebagai  sumber  getaran digunakan peralatan mekanik frekuensi rendahmekanik yang dikembangkan oleh KK FTETI  di Labor Elektronika  dan  Instrumentasi  Fisika  ITB.  Berdasarkan  pengukuran  terhadap  getaran  frekuensi rendah,  Fluxgate  mampu  mendeteksi  frekuensi  0.14  sampai  1.15  Hz  dengan  kesalahan  absolut 0.017 Hz dan kesalahan relatif 1.3 %.
Kata kunci: desain, sensor, Getaran, frekuensi rendah, fluxgate.

## Abstract
This  paper  describes  the  ability  of  fluxgate  to measure  vibration  in  low  frequency  range.  Vibrations were measured by detecting changes in the external magnetic field. The latter was due to changes in distance between the fluxgate probe  and the vibrating object. Based  on the  principle of the second harmonic  fluxgate,  external  magnetic field  intensity is  proportional  to  the  measured  sensor  output voltage  and  inversely  proportional  to  distance.  Maximum  distance  (amplitude)  static  optimization between the fluxgate probe and the vibrating object was obtained at the distance of 2 cm. Source of low frequency vibrations was the mechanical equipment developed  by the FTETI KK Electronics and Instrumentation  Physics  ITB  labor.  Based  on  the  measurement  of  low  frequency  vibrations,  the fluxgate was capable of detecting frequency from 0.14 to 1.15 Hz with absolute error of 0.017 Hz and relative error of 1.3%.
Keywords: design, sensor, vibration, low frequency, fluxgate .

## 1 Pendahuluan
Getaran  adalah  gejala  mekanika  dinamik  yang  mencakup  periode  gerak  osilator  di  sekitar posisi referensi atau berupa gerakan bolak-balik yang digambarkan sebagai amplitudo atau simpangan  terjauh  dari  titik  setimbang.  Getaran  atau  vibrasi  adalah  salah  satu  aspek pengoperasian  yang  sangat  diperhatikan  pada  mesin-mesin  industri.  Amplitudo  dan frekuensi  vibrasi  yang  tinggi  dapat  mengakibatkan  kerusakan  mesin  [1].  Kondisi  ini  selain membutuhkan  waktu  perbaikan  cukup  lama  dan  biaya  yang  mahal,  juga  mengakibatkan kerugian karena mesin tidak beroperasi. Mesin-mesin industri vital memerlukan instrumen pengukuran  amplitudo  dan  laju  perubahan  yang  mampu  memperingatkan  operator  mesin untuk  mencegah  pengoperasian  mesin  pada  daerah  kerja  yang  tidak  aman  serta  dapat menghentikan  operasi  mesin  bila  daerah  kerja  aman  terlewati  [2].  Untuk   mendeteksi
getaran  suatu  objek  dengan  memanfaatkan  informasi  getaran  diperlukan  sensor  getaran dengan resolusi tinggi [3].
Untuk  mendeteksi  getaran  dikembangkan  berbagai  alat  berupa  sensor  getaran.  Terdapat banyak  metode  atau  teknik  yang  dipakai  untuk  mendeteksi  getaran,  misalnya  dengan teknik  perubahan  kapasitansi,  perubahan  muatan  listrik  dari  material  piezoelectric  atau perubahan  posisi  dalam  Linear  Variable  Displacement  Transformer  (LVDT),  menggunakan laser,  dan  lain-lain  [1].  Sensor-sensor  tersebut  biasanya  harus  ditempelkan  ke  objek  yang akan  diamati  getarannya,  tetapi  sensor  fluxgate  tidak  perlu  kontak  dengan  objek  yang diamatinya.
Alat  ukur  getaran  frekuensi  rendah  saat  ini  sangat  dibutuhkan,  seperti  deteksi  getaran bendungan,  jembatan,  bangunan  dan  gempa.  Berdasarkan  pengembangan  fluxgate  dan aplikasi, fluxgate mampu mengukur perubahan medan magnet dan jarak  dalam  orde  yang sangat  kecil  [4][5][6][7].  Selain  itu  kami  juga  telah  berhasil  mengembangkan  aplikasi fluxgate untuk mengukur arus dc [8],  getaran frekuensi tinggi [9][10][11], kecepatan sudut [12]  dan  alat  ukur  muai  panjang  [13].  Berdasarkan  hasil-hasil  ini,  dikembangkan  aplikasi lain dari fluxgate yaitu sebagai alat ukur getaran  frekuensi rendah.
Permasalahan  yang  muncul  di  lapangan  adalah  tidak  tersedianya  peralatan  kalibrasi  yang dapat  bekerja  pada  frekuensi  rendah.  Rata-rata  Exciter  hanya  mampu  bekerja  di  atas  20 Hz, sedangkan kebutuhan di lapangan untuk frekuensi rendah  seperti getaran  gempa dan bangunan adalah di bawah 10 Hz.

## 2 Fluxgate Sebagai Sensor Getaran
Salah  satu  cara  kerja  sensor  getaran  adalah  berdasarkan  perubahan  posisi  dari  suatu objek, objek yang bergerak dapat dideteksi dengan  perubahan medan magnet  yang terjadi padanya.  Perubahan  medan  magnet  pada  sensor  magnet  akibat  berubahnya  posisi  dapat dimanfaatkan  untuk  mendeteksi  suatu  benda  yang  sedang  bergetar. Fluxgate sebagai sensor mempunyai konsep perubahan medan magnet suatu objek. Berdasarkan kesamaan konsep ini, maka Fluxgate dapat dijadikan sebagai sensor getaran  [14][15][16].
Sensor fluxgate bekerja dengan cara membangkitkan medan magnet untuk dirinya sendiri sebagai  medan  magnet  acuan,  jika  terdapat  bahan  magnet  yang  bergetar  pada  posisi x maka  sensor  akan  mendeteksi  perubahan  posisi  ( x )  dari  getaran  tersebut  melalui perubahan acuan medan magnetik pada intinya  [16]. Perubahan posisi ( x ) dari benda  yang bergetar  terhadap  sensor  disebut  dengan  simpangan,  simpangan  maksimum  dise but dengan amplitudo (A). Untuk meninjau konsep mekanik sebuah benda bergetar dimodelkan seperti Gambar 1.
Gambar 1 Model Makanik Sensor Getaran (a) dan Diagram  bebas dari massa (b) [17]
Sebuah  benda  dengan  beban  bermassa  M  terikat  pada  sebuah  pegas  dengan  konstanta pegas  k  dan  massa  yang  bergerak  diredam  oleh  peredam  dengan  koefisien  redaman  b seperti  Gambar  1  (a).  Beban  bisa  bergeser  sejauh x dari  titik  setimbang  terhadap  sensor dengan arah horizontal.  Selama bergerak percepatan beban M bergetar sebesar
2 2 dt x d , dan sinyal keluaran sebanding dengan defleksi x 0 dari beban M. Berdasarkan tinjauan  diagram bebas  masaa  M  seperti  Gambar  1  (b)  dan  menerapkan  Hukum  kedua  Newton  [18], memberikan :
dt dx b kx Mf    , (1)
dengan f adalah percepatan dari massa relatif dari bumi dan diberikan oleh :
2 2 2 2 dt y d dt x d f   (2)
Dengan mensubsitusi persaman 1 ke 2 didapatkan :
dt y d M kX dt dx b dt x d M 2 2 2    (3)
Persamaan di atas merupakan persamaan diffrensial orde dua yang mana artinya keluaran percepatan  sinyal  merupakan  bentuk  osilasi.  Untuk  menyelesaikan  persamaan  (3)  di  atas digunakan Transformasi Laplace [19] . Berdasarkan Transformasi Laplace didapatkan :
) ( ) ( ) ( ) ( s MA s kX dt dx s bsX s X Ms    2 (4)
dimana ) ( s X dan ) ( s A adalah  Transformasi Laplace dari ) ( t x dan 2 2 dt y d . Solusi persamaan
(4) untuk ) ( s X adalah :
k bs Ms s MA s X     2 ) ( ) ( (5)
dengan mendefinisikan variabel M k o   dan M b o   2 , persamaan (5) dapat ditulis :
2 0 2 2       s s s A s X o ) ( ) ( (6)
Nilai o  mempresentasikan  frekuensi  anguler  alami  percepatan  dan  koefisien normalisasi  redaman.  Misalkan
2 2 2 1 o o s s s G       ) ( ,  maka  persamaan  (6)  dapat
dituliskan  menjadi  : ) ( ) ( ) ( s A s G s X  ,  solusi  dapat  diungkapkan  dalam  bentuk  operator inverse transformasi Laplace sebagai :
)} ( ) ( { ) ( s A s G L s X 1   (7)
Dengan menggunakan teorema konvolusi transformasi Laplace dapat ditulis:
   t d a t g t x 0    ) ( ) ( ) ( (8)
dimana a adalah  impulse  bergantung  pada  percepatan  dan g(t) adalah  inverse  transform )} ( { s G L 1  .  Jika  diambil
2 1      o ,  maka  persamaan  di  atas  mempunyai  dua  solusi, yaitu :
Solusi I, untuk underdamped mode ( 1   ) :       t t d t a t e t x o 0 1       ) ( ) ( sin ) ( ) ( (9)
Solusi II, untuk overdamped mode ( 1   ) :
      t t d t a t e t x o 0 1       ) ( ) ( sinh ) ( ) ( (10)
dengan 1
2  
   o
Persamaan  (10)  menunjukkan  bahwa  perubahan  jarak  atau  simpangan  benda  berosilasi bergantung pada waktu t.
Perubahan  posisi  atau  jarak  antara  beban  M  (target)  dengan  sensor  akan  menyebabkan perubahan  intensitas  medan  magnet  yang  diterima  oleh  sensor.  Prinsip  kerja  pengukuran getaran berdasarkan perubahan posisi ini telihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Prinsip Kerja Fluxgate  Sebagai Sensor Getaran [9]
Objek yang bergetar (target) dipilih yang bersifat magnetik. Material magnetik dapat berasal dari  magnet  permanen  atau  material  ferromagnetik.  Material  magnetik  ditempatkan  pada objek yang akan diukur  getaranya. Jika objek bergerak mendekati atau menjauhi detektor, maka medan magnetik disekitar titik setimbang akan mengalami perubahan, perubahan ini disebut  fluk  magnetik   (Φ).  Perubahan  fluk  magnetik  bergantung  pada  posisi  sensor terhadap objek.
Jika A d  adalah  elemen  vektor  dan B  adalah  elemen  vektor,  maka  fluk  magnetik  yang keluar dari permukaan medan adalah:
    A d B   (11)
Jika medan magnetik material adalah B, maka medan magnetik yang dideteksi oleh sensor pada jarak r adalah:
x B B r  (12)
Penurunan medan magnetik sebanding dengan 1/ x [5].

## 3 Metodologi
Untuk  mengatasi  permasalahan  kalibrator  frekuensi  rendah  telah  didesain  peralatan seperti Gambar 3, kalibrator ini dapat menjadi sumber penggetar dengan frekuensi rendah. Mekanik sumber penggetar ini terdiri dari sumbu penggetar yang salah satu ujung dipasang objek  bermuatan  magnet,  lengan  penggetar  yang  berfungsi  sebagai  pendorong  sumbu penggetar,  roda  gigi  untuk  memutar  lengan  penggetar  dan  sebuah  motor  DC  12  V  yang berfungsi sebagai sumber untuk memutar roda gigi. Lengan penggetar dapat menghasilkan gerakan maju mundur pada objek, sehingga objek akan bergerak menjauhi dan mendekati fluxgate . Gerakan maju mundur ini di deteksi oleh sensor autocoupler kemudian banyaknya gerakan  yang  terjadi  di  cacah  dengan  bantuan  mikrokontroler  dan  ditampilkan  oleh  LCD. Sumber  penggetar  yang  dibuat  hanya  mampu  bergetar  dengan  frekuensi  maksimum  1 .15 Hz.
Gambar 3 Desain sistem mekanik (a) dan foto peralatan pengukuran frekuensi rendah (b) [20]
Sebelum  melakukan  pengukuran  getaran  dilakukan  kalibrasi  untuk  mencari  hubungan jarak antara objek bergetar dengan tegangan keluaran fluxgate .  Panjang sumbu penggetar yang  dipasang  pada  piston  adalah  8.4  cm.  Mula-mula  ujung  sumbu  yang  sudah ditempelkan  objek  berm uatan  ma gnet  ditempatkan  menempel  pada fluxgate kemudian sumbu  ditarik  menjauhi fluxgate secara  perlahan-lahan  sejauh  4.2  cm.  Jarak  4.2  cm  ini dijadikan  titik  tengah  sumbu  penggetar.  Perubahan  tegangan  keluaran fluxgate dicatat setiap perubahan jarak.

## 4 Hasil dan pembahasan
Hasil  kalibrasi  jarak  ini  di  tunjukkan  pada  Gambar  3.  dapat  terlihat  bahwa  respon  sensor cukup  linier.  Untuk  mendapatkan  nilai  simpangan  nol  maka  maka  grafik   Gambar  3. dikonversi menjadi grafik Gambar 4.
Gambar 4 Grafik optimasi jarak objek dengan flux gate
Berdasarkan  grafik  Gambar  4  dapat  ditentukan  hubungan  jarak  terhadap  simpangan seperti ditunjukkan persamaan (13).
V out = -0,003x 6 + 0,004x 5 + 0,047x 4 + 0,018x 3 – 0,237x 2 – 1,353x + 1,109 (13)
Sebelum  melakukan  pengukuran  getaran  maka  persamaan  (13)  dimasukkan  kedalam program  mikrokontroler  sehingga  nilai  yang  terbaca  pada  display  LCD  dalam  bentuk simpangan maksimum atau amplitudo.
Gambar 5 Grafik untuk mendapatkan simpangan nol
Pengukuran  amplitudo  getaran  terhadap  frekuensi  dilakukan  dengan  memvariasikan simpangan maksimum getaran yaitu 1.0; 1.5; 2.0; dan 2.5 cm dengan cara merubah posisi lengan penggetar pada sumbu roda motor. Hasil pengukuran ditunjukkan Gambar 6.
Gambar 6 Respon frekuensi terhadap amplitudo
Berdasarkan  Gambar  6  dapat  terlihat  bahwa  jika  lengan  digeser  menjauhi  sumbu  roda motor maka semakin dekat objek bergetar ke fluxgate , hal ini terlihat dengan membesarnya amplitudo  terukur  ketika  sumbu  penggetar  mendekati fluxgate .  Sedangkan  terhadap kenaikan  frekuensi  keseluruhan  variasi  simpangan  mengalami  penurunan.  Hubungan frekuensi terukur dengan frekuensi sumber penggetar ditunjukkan  Gambar 7.

## Gambar 7 Respon frekuensi terukur terhadap frekuensi sumber
Terlihat  dari  Gambar  7,  bahwa  hubungannya  linier  untuk  semua  variasi  simpangan. Hal menunjukkan fluxgate sebagai  sensor  getaran  frekuensi  rendah  mampu  mendeteksi frekuensi sumber 0.14 sampai 1.15 Hz.
Untuk  mencari  kesalahan  penyimpangan  frekuensi  terukur  dengan  frekuensi  sumber dilakukan  analis  kesalahan  absolut  dan  kesalahan  relatif.  Karena  hasil  pengukuran frekuensi  terukur  untuk  semua  variasi  simpangan  hampir  sama  maka  analisis  kesalahan diambil  salah  yaitu  pengukuran  dengan  jarak  amplitudo  2,0  cm.  Berdasarkan  analisis diperoleh  kesalahan  absolut  dan  relatif  maksimum  masing-masing  0.017  Hz  dan  1.3  %. Hasil kesalahan ini ditunjukkan oleh Gambar 8 dan 9.
Gambar 8 Grafik kesalahan relatif pengukuran frekuensi rendah

## Gambar 9 Grafik kesalahan absolut pengukuran frekuensi rendah

## 5 Kesimpulan
Telah  berhasil  di  kembangkan  aplikasi fluxgate sebagai  sensor  getaran  dan  sumber penggetar  yang  dapat  bekerja  pada  frekuensi  rendah.  Aplikasi  ini  dikembangkan berdasarkan kemampuan fluxgate dalam mendeteksi perubahan medan magnet dan jarak dalam  orde  yang  sangat  kecil.  Berdasarkan  pengukuran fluxgate mampu  mengukur frekuensi 0.14 sampai 1.15  Hz dengan kesalahan absolut 0.017 Hz dan kesalahan relatif 1.3  %.  Berdasarkan  hasil  ini, fluxgate dapat  dikembangkan  lebih  jauh  sebagai  alat  ukur getaran  yang memiliki frekuensi rendah seperti: getaran jembatan, bendungan, gempa dan lain-lain. Untuk mendapatkan rentang frekuensi  yang lebih lebar, saat ini penelitian masih terus  kami  lakukan  terutama  memperbaiki  sumber  penggetar  yang  dapat  menghasilkan frekuensi rendah hingga 10 Hz.

## 6 Ucapan Terimakasih
Penulis mengucapkan terimakasih pada  Departemen  Pendidikan  Tinggi Republik Indonesia yang  telah  mamberikan  dana  penelitian  melalui  Program  Hibah  Bersaing  No. 080/H35.2/PG/HB/2009, Hibah Penelitian  Doktor No. 551/K01.12.2/KU/2010 dan Riset PRI ITB 2010.

## 7 Daftar Pustaka
[1] Goldman, S., Vibration Spectrum  Analysis, New York, Industrial Press Inc., 1999.
[2] Azhar,  D.,  Jusan  Q.,  &  Parsaulian  S.,  Analisis  kerja  ”Vibration  Monitor”  Bently  Nevada tipe 5250, Prosiding SIBF, Bandung, 31 Agustus 2006.
[3] Pöyhönen, S., Jover, P. & Hyötyniemi, H., Independent Component Analysis of Vibrations for  Fault  Diagnosis  of  Induction  Motor,  Proc.  of  the  IASTED  International  Conference Circuit, Sinyal and System, Cancun, Mexico, May 19-21, 2003.
[4] Djamal,  M.,  &  Setiadi,  R.N.,  Pengukuran  Medan  Magnet  Lemah  Menggunakan  Sensor Magnetik Fluxgate dengan Satu Kumparan Pick-up,  Prosiding ITB Sains & Tek. Vol.38A, No.2, pp. 99-115, 2006.
[5] Djamal,  M.,  &  Setiadi,  R.N.,Displacement  Sensor  Based  on  Fluxgate  Magnetometer, Proc. on Asian Physics Symposium (APS), Bandung, 7-8 August 2005.
[6] Suyatno,  &  Djamal.  M,  Development  fluxgate  magnetometer  for  proximity  sensor, Prosiding Seminar Físika dan Aplikasinya , ITS, Surabaya, 2007
[7] Yulkifli,  Suyatno,  Djamal,  M.  &  Setiadi,  R.N.,  Designing  and  Making  of  Fluxgate  Sensor with  Multi-Core  Structure  for  Measuring  of  Proximity,  Proceedings  of  The  Conference Solid State Ionic (C SSI), Tanggerang, pp. 164-170, 2007.
[8] Djamal,  M.  &  Yulkifli,  Fluxgate  Sensor  and  Its  Application,  Proceedings  of  ICICI-BME, Bandung, 2009.
[9] Djamal,  M.,  Setiadi,  R.N.,  &  Yulkifli,  Preliminary  Study  of  Vibration  Sensor  Based  on Fluxgate Magnetic Sensor, Proc. of ICMNS, Bandung, 2008.
[10] Yulkifli,  Setiadi,  A.,  Djamal,  M.  &  Khairurrijal,  Development  of  Mathematical  Model  of Vibration Sensor base on Flux gate Magnetic  Sensor.  The 4 th Asian  Physics  Symposium (APS), Ocktober, 12-13, 2010.
[11] Djamal,  M .,  Yulkifli,  Setiadi,  A.,  &  Setiadi,  R.N.,  Development  of  a  Low  Cost  Vibration Sensor  Based  on  Fluxgate  Element,  International  conference  of  the  Institute  for Environment, Engineering, Economics and Applied Mathematics (  IEEEAM), Malta, Itali,
September, 15-17, pp. 248-251, 2010
[12] Yulkifli,  Anwar,  Z.,  &  Djamal,M.,  Desain  Alat  Hitung  Kecepatan  Sudut  Berbasis  Sensor
Magnetik Fluxgate, Jurnal Sainstek, vol. 1, , pp. 79-90, 2009.
[13] Yulkifli, Wahyudi, I., &  Djamal, M., Development of Distance Measuring Instrument of a
Metal  Expansion  Based  on  a  Fluxgate  Sensor,  Proc.  3rd  International  Graduate Conference  on  Engineering,Science  and  Humanities  (IGCESH  )School  of  Graduate Studies, Universiti Teknologi Malaysia, 2– 4 November, pp. 1-5, 2010.
[14] Firmansyah.  A.,  Flux gate  magnetometer  sebagai  alat  ukur  Getaran ,  Tugas  Akhir  2, Fisika ITB, Bandung 2006
[15] Suyatno,  Desain  dan  Pengembangan  Sensor  Magnetik  Fluxgate  dan  Aplikasinya  untuk Mengukur Getaran: Tesis S2, ITB, Bandung, 2007.
[16] Hendro,  &  Djamal,  M.,  Pembuatan  Sensor  Getaran  Berbasis  Fluxgate,  Berita  Utama LPPM  ITB, Bandung, 2007.
[17] Fraden,  J.,  Handbook  of  Modern  Sensor.  New  York,  Sprin ger-Verlag  New  York,  Inc,
1996.
[18] Symon, K.R., Mechanics, third edition, Addison Wislye Company, 1980.
[19] Boas, M.L., Mathematical Methods in the Physical  Sciences, Second Edition, Jhon Wiley & Sons New York, 1984.
[20] Yulkifli,  Pengembangan  Elemen  Fluxgate  dan  Pen ggunaannya  untuk  Sensor-sensor Berbasis Magnetik dan Proksimiti,  Disertasi Program Studi Doktor Fisika, ITB, Bandung, 2010.