Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.023.07
EDDY CURRENT SENSOR BERBASIS FLAT COIL FR4 UNTUK MENENTUKAN KETEBALAN PELAT LOGAM NON MAGNETIK AL
Tengku Emrinaldi a) , Salomo b) , Yanuar Hamzah c) , Iwantono d) , Lazuardi Umar e)
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Riau Kampus Bina Widya Sp. Panam Pekanbaru 28293
Email: a) tengku_naldi@yahoo.com, b) sraya_01@yahoo.com c) yanuar.hamzah@lecturer.unri.ac.id,
d) iwan_tono@yahoo.co.uk, e) lazuardi@unri.ac.id

## Abstrak
Sensor  arus  eddy  (eddy  current)  digunakan  untuk  pengukuran  ketebalan  logam  khususnya  logam  non magnetik  seperti  alumunium.    Penelitian  ini  telah  mengembangkan  sensor  eddy  current  berbahan  PCB (printed  circuit  board)  jenis  FR4  yang  memiliki  ketebalan  lapisan  tembaga  35micron.  Prototipe  yang dihasilkan mempergunakan koil sensor dengan jumlah gulungan (n) 30 lilitan, diameter (  ) 30mm, lebar dan jarak  antar  koil,  (dkoil)  0,254mm  dan  tahanan  (Rkoil)  sebesar  4,26Ω.  Respon  sensor  ketebalan  pelat  logam terhadap  bahan  uji  dievaluasi  dengan  memberikan  eksitasi  frekuensi  tunggal  700Khz,  1MHz  dan  1.33MHz. Rangkaian  ketebalan  pelat  telah  mempergunakan  rangkaian  pengunci  fasa  (phase  locked  loop)  dan  mampu mengukur  variasi  ketebalan    mulai  0,2 mm  sampai  2 mm,  sementara  jarak  antara  sensor  dengan  logam  uji dijaga konstan 2 mm. Hasil pengukuran memberikan respon kurva U(t) dalam hubungan
Kata-kata  kunci :sensor  eddy  current,  PCB  FR4,  material  non  magnetik,  ketebalan  logam,  rangkaian  phase locked loop

## Abstract
Eddy  current  sensor  is  used  to  measure  the  thickness  of  metals,  especially  non-magnetic  metals  such  as aluminum. This research has developed eddy current sensor made from PCB (printed circuit board) type FR4 which  has  35micron  copper  layer  thickness.  The  developed  prototype  uses  a  designed  coil  sensor  with  the number of winding (n) 30 turn, diameter ( ) 30mm, width and distance between coils, (dkoil) 0.254 mm and coil resistance (Rkoil) of 4.26 Ω. The sensor response  to the test material was evaluated by giving a single frequency  excitation  of  700  Khz,  1  MHz  and  1.33  MHz.  The  plate  thickness  electronics  has  used  a  phase locked  loop  circuit  and  is  capable  to  measure  the  thickness  variations  from  0.2  mm  up  to  2  mm,  while  the distance between the sensor coil and the test object was kept constant at 2 mm. The measurement results give the U (t) curve response in the exponential relationship.
Keywords : eddy current sensor, PCB FR4, nonmagnetic material, thickness, phase locked loop circuit
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## PENDAHULUAN
Pengukuran  ketebalan  logam  sangat  penting  untuk  proses  kontrol  dan  pemeriksaan  material.  Metode yang  umum  dipergunakan  adalah  ultrasonic,  thermal  dan  eddy  current  tergantung  kepada  kebutuhan. Berbagai  jenis  peralatan  uji  eddy-current  komersial  diset  up  untuk  menentukan  ketebalan  lapisan  non konduktive  yang  dilakukan  berdasarkan  fakta  bahwa  perubahan  impedansi  koil  menurun  secara eksponensial dengan jarak koil terhadap permukaan logam seperti pada literatur [1,2]. Estimasi akurat dari ketebalan pelat akan tergantung pada akurasi model dari impedansi koil sebagai fungsi dari karakteristik material dan geometri sampel koil [3].
Prinsip  arus  eddy  banyak  dimanfaatkan  pada  teknologi  saat  ini.    Usman  [4]  mempergunakan  sensor induktif  metode  arus  Eddy  untuk  menentukan  jarak  translasi.  Metode  arus  Eddy  juga  digunakan  dalam berbagai aplikasi teknologi seperti pengukuran ketebalan, pemeriksaan mutu, penambahan dan perawatan permukaan [5]. Pengujian menggunakan metode arus eddy dapat diterapkan pada bahan magnetic maupun non magnetic. Yin [6] melakukan penelitian bahwa sensor eddy current dapat mengukur ketebalan bahan non magnetik dengan multi frekuensi.
Metode  Eddy  Current  juga  dipergunakan  secara  luas  pada  berbagai  teknologi  aplikasi  seperti pengukuran  ketebalan,  inpeksi  kualitas,  pelapisan  ( coating )  dan  perlakuan  permukaan.  Sensor  induktif seperti  dipergunakan  dalam  sistem  automatisasi  pengukuran  skala  mikro  yang  dijelaskan  oleh Lemarquand  [7].  Sistem  deteksi  juga  dilengkapi  dengan  fitur  pintar  yang  meningkatkan  akurasi pengukuran  [8].  Fungsi sensor  induktif  dapat  digunakan  pada  bidang  otomotif serta  bidang  automatisasi baik  untuk  industri  maupun  untuk  penggunaan  sektor  pribadi  dijelaskan  oleh  [9].  Penelitian  sebelumnya [10] telah  dilakukan  pengembangan  sensor  induktif Eddy  Current untuk  mengukur  posisi  linier  berbasis koil datar (p lanar coil ) dengan presisi tinggi, dengan salah satu aplikasi adalah sebagai sensor pengukur getaran dengan    mempergunakan osilator LC untuk mengukur kelembaban material pertanian.
Pada kebanyakan aplikasi, pengukuran eddy current dipengaruhi oleh faktor lift off yaitu variasi jarak antara  probe  detektor  dan  sampel  tes.  Metode  pengukuran  dengan  single  dan  pulse  frequency  (PEC  dan SEC)  sangat  sensitif  terhadap  variasi  jarak    antara  sensor  dan  target  karena  induksi  eddy  current  dalam target  menurun  secara  cepat  dengan  kenaikan  faktor  lift-off  [11].  Oleh  sebab  itu  faktor  lift-off  menjadi ganjalan  utama  untuk  pengukuran  mempergunakan  koil  arus  eddy.  Perbaikan  dalam  rancangan  probe, pengolahan  isyarat  pada  [12]  dan  strategi  pengujian  [13,14]  telah  dilakukan  untuk  mengurangi  efek  lift off.    Saat  ini,  baik  metode  numerik  (seperti  metode  finite-element)  dan  metode  analitik    dapat dipergunakan untuk menentukan spektrum real dan imajiner sehingga beda fasa dapat diturunkan. Sensor eddy current juga dapat mengukur lapisan tipis logam dengan variasi jarak [15] sementara penelitian pada [6] menyatakan bahwa sensor eddy current dapat mengukur ketebalan bahan non magnetik dengan multi frekuensi. Hasil yang diperoleh relative akurat namun memerlukan peralatan yang mahal.
Paper ini membahas pengembangan sensor eddy current berbahan PCB FR4 yang dapat dipergunakan untuk  mengukur  ketebalan  pelat  logam  non  magnetik  yaitu  aluminium  (Al).  Pelat  logam  alumunium sangat  banyak  dipergunakan  sehari-hari  sehingga  diperlukan  alat  sederhana  yang  dapat  membantu pekerjaan  para  pengrajin  sehingga  hasil  pengukuran  ketebalan  akan  lebih  mudah  dilakukan.  Sensor induktif  metode eddy  current memiliki  frekuensi  tunggal  sesuai  yang  ditentukan  berdasarkan  analisa frekuensi dari koil datar yang dijadikan elektroda ukur.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## METODE PENELITIAN

## 2.1 Pembuatan Sensor Koil  Datar Eddy Current
Nilai  induktansi  pada  suatu  koil  datar  dihitung  dengan  mengasumsikan  bahwa  koil  datar  tersebut tersusun menyerupai lapisan koaksial  seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 dibawah ini (16):
GAMBAR 1 . Simpal tertutup dari induktansi koil datar
Induktansi  yang  terjadi  pada  plat  koil  datar  diperoleh  dengan  menjumlahkan  nilai  induktansi  diri  (L) dengan induktansi bersama (M) sehingga dapat dinyatakan sebagai berikut :
    N n N m m , n n M L L (1)
Sensor  koil  datar  yang  dipergunakan  didesain  mempergunakan  software  Corel  Draw  dan  dicetak mempergunakan bahan dari papan rangkaian tercetak, PCB ( printed circuit board ) jenis FR4  dan tahan api  yang  dilapisi  tembaga  dengan  ketebalan  lapisan  35  micron.  Lapisan  tembaga  ini  melalui  proses fotosensitive  dengan masking (pola  cetak)  akan  dibuat  menjadi  koil  datar  ( planar  coil ).  Adapun  data pembuatan dan karakterisasi awal dari sensor beserta dimensi diberikan pada tabel 1 berikut.
TABEL 1. Data dan dimensi dari koil datar pada eksperimen ini yang dibuat dari bahan PCB tipe FR4
Parameter Koil Datar Koil ke- 1 2 3 4 Tahanan Koil,  R koil (W) 4,26 4,3 4,04 4,4 Jumlah Gulungan, n 30 30 30 30 Diameter,  (mm) 30 30 30 30 Lebar Koil, d koil (mm) 0,254 0,254 0,254 0,254 Jarak Antar koil, d track (mm) 0,254 0,254 0,254 0,254

## 2.2 Rangkaian Pengunci Fasa
Pembuatan  alat  deteksi  ketebalan  lapisan  material  logam  non  konduktif  dilakukan  dengan  merakit beberapa  peralatan  elektronik  serta  koil  arus  eddy  yang  berfungsi  sebagai  sensor.  Adapun  blok  diagram diberikan seperti pada Gambar 2 berikut.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 2. Blok diagram sistem pengukuran ketebalan material.
Adanya  perbedaan  ketebalan  pada  material  menyebabkan  perbedaan  besar Eddy  Current dan mempengaruhi  induktansi  koil  sensor  yang  dievaluasi  dengan  osilator  LC  menghasilkan  sinyal dengan frekuensi yang berbeda. Osilator LC yang dibuat mempergunakan Inverter dari IC 4007 yang merupakan Dual  Complementary  Pair  Plus  Inverter yang  terdiri  atas  masing-masing  3 N-channel dan P-channel  enhancement  mode  devices  packaged .    Sinyal  dari  osilator  LC  kemudian dibandingkan  dengan  sinyal  dari pengunci fasa.  Gambar  3  memperlihatkan  rangkaian  osilator  yang dipergunakan pada penelitian ini.
GAMBAR 3 . Rangkaian osilator LC dan PLL untuk detector ketebalan pelat non magnetik
Gambar  3  memperlihatkan  komponen  IC  PLL  4046  tersusun  dari  2  buah  pembanding (komparator) fasa, VOC dan pengikut sumber ( source follower ). Komparator tersebut memiliki dua buah sinyal input PCa dan PCb dimana input PCa dapat langsung digunakan dengan cara dikopel ke sinyal  tegangan  besar  atau  secara  tidak  langsung  dikopel  dengan  rangkaian  kapasitor  untuk  sinyal tegangan kecil. Pembanding fasa 1 (gerbang EXOR) menghasikan sinyal error digital PC 1out, dan mempertahankan fasa 90 bergantian diantara frekuensi antara PCa dan PCb (disaat duty cycle 50%), pembanding  fasa  2  menghasilkan  sinyal  digital  error,  PC2out  dan  LD  ( load  data ),  dan mempertahankan fasa 0 pergantian diantara PCa dan PCb. Linier VOC menghasilkan sinyal keluaran (VOCout) yang frekuensinya ditentukan oleh tegangan dari masukan VOC in, kapasitor dan resistor dihubungkan ke pin C 1A , C 1B , R 1 dan R 2 .
Output  dari  IC  PLL  akan  masuk  pada  low  pass  filter  dan  diloloskan  hanya  yang  mempunyai impedansi rendah, dilanjutkan ke VOCin yang akan melewati proses osilasi pulsa sehingga keluaran di pin 4 diatur agar sama dengan frekuensi referensi. Pengaturan frekuensi masukan pada rangkaian dengan  nilai  R  sebesar  100  KΩ  serta  C  sebesar  100  nF  memberikan  nilai  frekuensi  15.9  Hz  yang
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
akan menentukan keluaran dari IC PLL 4046 menjadi tegangan DC dengan bantuan R 3 seperti pada Gambar 3. Tegangan keluaran ini proporsional dengan ketebalan logam.

## 2.3 Prototipe Detektor Ketebalan Logam
Prototipe  detektor  ketebalan  pelat  logam  non  magnetik  terpasang  pada  silinder    PVC  untuk menghindari  adanya  gangguan  magnetic  yang  diterima  koil  datar  yang  mengganggu  pengukuran. Sensor dibuat di dalam rumahan bertujuan agar 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.Sensor  dan  rangkaian  elektronik  dapat  dilihat  pada Gambar 4 berikut.
Sampel  pengukuran  dipergunakan  adalah  logam  non  magnetic    alumunium  dari  berbagai  jenis ketebalan  mulai  dari  0.2 mm  sampai  dengan  2 mm.  Tiap-tiap  pelat  logam  tersebut  dipotong  seluas 15cm  panjang  dan  15cm  lebar,  diukur  mempergunakan  detektor  yang  telah  dibuat  ini  untuk  setiap ketebalan sebanyak 5 kali. Frekuensi eksitasi dari osilator LC ditentukan sebanyak 3 frekuensi yaitu 700KHz,  1MHz  dan  1.33MHz.  Data  yang  telah  diperoleh  kemudian  diolah  dan  dimodelkan  untuk memperoleh  fungsi  transfer  dari  pelat  logam  dan  dicari  koefisien  korelasi  untuk  menentukan persamaan umum dari detektor.
GAMBAR 4. Prototipe detektor ketebalan logam Al

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  5  menunjukkan  hasil  pengukuran  dan  pemodelan  kurva  yang  menyatakan  hubungan antara variasi ketebalan logam (d) dan tegangan keluaran (U 0 ) dimana koefisien model memberikan fungsi  non  linear  yang  diolah  dengan perangkat  lunak  SigmaPlot  dan Table  Curve.  Masing-masing kurva  pada  gambar  5  memberikan  respon  output  pada  berbagai  ketebalan  pelat  dengan  frekuensi osilator sebagai parameter. Penelitian ini mengevaluasi kurva respon terhadap ketebalan untuk 3 jenis frekuensi.
(b)
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## (c)
GAMBAR 5 . Uji ketebalan pelat non magnetik pada tiga frekuensi eksitasi yaitu (a) 700KHz, (b) 1MHz dan (c) 1.33MHz
Gambar  5  menunjukkan  hubungan  antara  ketebalan  pelat  non  magnetic  Al  dan  tegangan  sensor dimana  semakin  tebal  pelat  maka  semakin  tinggi  tegangan  sensor  yang  dihasilkan  dikarenakan adanya  arus  eddy  yang  disebabkan  oleh  tegangan  yang  diberikan  pada  frekuensi  1.33  MHz. Ketebalan  pelat  yang  meningkat  menyebabkan  efek  kulit  ( skin  effect )  artinya  kerapatan  Arus  Eddy menurun secara eksponensial pada logam yang memiliki ketebalan yang besar. Konduktivitas listrik material  juga  mempengaruhi  pengukuran  material  dimana  konduktivitas  listrik  alumunium  sebesar 3,8∙10 7 (Ω/m) -1 ,  semakin  tebal  logam  Al  maka  konduktivitasnya  semakin  kecil  dan  hambatan semakin besar. Pengukuran ketebalan logam non magnetic Al ini memberikan  kedalaman penetrasi untuk  pelat  dari  0 mm  sampai  2 mm  yang  disebabkan  pengaruh  kemagnetan  yang  dikenal  sebagai efek  Lenz,  yang  bekerja  pada  benda  bersifat  non  magnetic.  Kecenderungan  keluaran  detektor  di daerah diluar yang disebutkan diatas adalah tidak terprediksi dan cenderung konstan.
Tabel  2  berikut  memberikan  resume  dari  setiap  pemodelan  kurva  dalam  bentuk  persamaan matematis dan parameter yang diperoleh dari kurva fitting .
TABEL 2. Parameter pemodelan matematis pengukuran kurva koil datar
No Logam Persamaan Frek. (KHz) Parameter a0 a1 a2 a3 1 Al                       3 3 2 2 1 0 0 d a d a d a a
U 700 940,9 -49,9 13,8 -2,1 1000 1418,6 -39,9 18,8 -3,2 1330 1799,1 -49,1 25,0 -4,9
Berdasarkan  hasil  pemodelan  terlihat  bahwa  kurva  untuk  ketiga  frekuensi  memiliki  tren  yang sama yang dibuktikan dengan jenis persamaan yang sama namun memiliki parameter yang berbeda. Perbedaan  yang  terlihat  adalah  pada  frekuensi  eksitasi  yang  meningkat  maka  kecenderungan  kurva sensitive pada ketebalan tinggi dan naik cenderung linier. Aproksimasi yang paling baik didekati oleh osilator  LC  dengan  frekuensi  700Khz  yang  memberikan  bentuk  kurva  naik  secara  non  linier  jika dibandingkan  2  osilator  lainnya  yang  cenderung  flat.  Perbaikan  mutu  pengukuran  dapat  dilakukan dengan memperbaiki mutu koil datar sebagai sensor serta rangkaian PLL yang responnya cenderung lambat  pada  frekuensi  rendah.  Pengembangan  lanjut  dapat  dilakukan  dengan  mengoreksi  ketidak linearan  kurva  mempergunakan  mikrokontroler  serta  sensor  yang  lebih  sensitive  pada  berbagai ketebalan.

## 4. SIMPULAN
Penelitian  ini  telah  menghasilkan  prototipe  berupa  detektor  yang  menggunakan  prinsip  Eddy Current  untuk  mendeteksi  ketebalan  suatu  logam  melalui  hubungan  tegangan  dan  ketebalan  logam non magnetik. Hubungan antara ketebalan pelat non magnetik dan tegangan sensor dimana semakin tebal  pelat  maka  semakin  tinggi  tegangan  sensor  yang  dihasilkan  dikarenakan  adanya  Arus  Eddy
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
yang  disebabkan  oleh  tegangan  yang  diberikan  dengan  frekuensi.  Pengukuran  ini  juga  dipengaruhi oleh efek Lenz. Efek luar pada sensor induktif dapat dieliminir mempergunakan metode kompensasi misalnya suhu dan kelembaban sehingga mutu sinyal pengukuran dapat dipertahankan konstan.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Riset ini dibiayai oleh Hibah Terapan Dikti 2017. Terimakasih diucapkan untuk saudari Santi T Sidabukke yang telah membantu mempersiapkan objek penelitian dan pengambilan data.

## REFERENSI
[1] J. Moulder, C.E. Uzal, J.H. Rose, ”Thickness and conductivity of metallic layers from eddy current measurements”, Rev Sci Instrument 63, pp. 3455–65, 1992.
[2] C.C.  Tai,  J.H.  Rose,  J.C.  Moulder,  “Thickness  and  conductivity  of  metallic  layers  from pulsed eddy-current measurements”, Rev Sci Instrum 67, pp. 3965–72, 2000.
[3] L.  Bavall,  “Determination  of  Thickness  of  Silver  Coatings  on  Brass  by  Measuring  the Impedance of a Thin Elliptic Coil”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 56, No. 3, June 2007.
[4] U.  Malik,  Yanuar,  Lazuardi,  “Sensor  Planar  Induktif  Berbasis  Bahan  PCB  FR-4  Untuk Pengukuran Jarak Kecil”, Prosiding Seminar Nasional Fisika Universitas Andalas (SNFUA), 2015.
[5] J. Fraden, “Handbook of modern sensor, physics, designs, and applications”, Springer, San Diego USA, 2003.
[6] W. Yin, S.J. Dickinson, A.J. Peyton, “A multi-frequency impedance analyzing instrument for eddy current testing”, Meas. Sci. Technol. 17, pp. 393–402, 2006.
[7] V.  Lemarquand  dan  G.  Lemarquand,  “Inductive  Absolute  Angular  Position  Sensor”,  IEEE Transactions on Magnetics, vol. 28, No. 5. pp. 2199- 2201,1992.
[8] B.  Hlubeck  dan  D.  Hobein,  “Smart  sensor  technology  -  the  basic  for  perfect  performance, ATZ 102 (12), 2000.
[9] P.  Horsky,  “LC  oscillator  driver  for  safety  critical  applications”,  Proc.  of  DATE  05 Conference, Designers Forum, Munich, Germany, pp. 34-38, 2005.
[10] N.S.  Rahmondia,  “Desain  dan  pembuatan  sensor  getaran  frekuensi  rendah  berbasis  koil datar”, MS Thesis, ITB Bandung, 2009.
[11] J. Kral, R. Smid, H.M.G. Ramos dan A.L. Ribeiro, “The lift-off effect in eddy currents on thickness  modeling  and  measurement”, IEEE  Trans.Instrum.  Meas. ,  vol.  62,  no.  7,  pp. 2043–2049, Jul. 2013.
[12] D.  Kim,  L.  Udpa  dan  S.S.  Udpa,  “Lift-off  invariance  transformations  for  eddy  current nondestructive evaluation signals”, Proc. AIP Conf., vol. 615, pp. 615–622, 2002.
[13] C.V. Dodd, W.E. Deeds, “Analytical solutions to eddy-current probe coil problem”, J. Appl. Phys. 39, pp. 2829–39, 1968.
[14] D.F.  He  dan  M.  Yoshizawa,  “Dual-frequency  eddy  current  NDE  based  on  high- Tc rf SQUID”, Physica C: Supercond. , vol. 383, no. 3, pp. 223–226, 2002.
[15] H. Wang, W. Li dan Z. Feng, “Noncontact thickness measurement of metal films using eddy- current  sensors  immune  to  distance  variation”,  IEEE  Transactions  on  Instrumentation  and Measurement, vol. 64, no. 9, September 2015.
[16] Lazuardi,  “Studi  awal  sensor  getaran  berdasarkan  prinsip  induktif”,  MS  Thesis,  ITB Bandung,
1996.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA