Cara Kerja Sensor Ultrasonik dan Aplikasinya Dalam Kehidupan

Cara kerja sensor ini didasarkan pada prinsip dari pantulan suatu gelombang suara sehingga dapat dipakai untuk menafsirkan eksistensi (jarak) suatu benda dengan frekuensi tertentu.

Disebut sebagai sensor ultrasonik karena sensor ini menggunakan gelombang ultrasonik (bunyi ultrasonik). Salah satu sensor ultrasonik yang paling sering dijumpai adalah HC-SR04.

Gelombang ultrasonik adalah gelombang bunyi yang mempunyai frekuensi sangat tinggi yaitu 20.000 Hz. Bunyi ultrasonik tidak dapat didengar oleh telinga manusia. Bunyi ultrasonik dapat didengar oleh anjing, kucing, kelelawar, dan lumba-lumba.

Bunyi ultrasonik dapat merambat melalui zat padat, cair dan gas. Reflektivitas bunyi ultrasonik di permukaan zat padat hampir sama dengan reflektivitas bunyi ultrasonik di permukaan zat cair. Akan tetapi, gelombang bunyi ultrasonik akan diserap oleh tekstil dan busa.

Cara Kerja Sensor Ultrasonik

Pada sensor ultrasonik, gelombang ultrasonik dibangkitkan melalui sebuah alat yang disebut dengan piezoelektrik dengan frekuensi tertentu. Piezoelektrik ini akan menghasilkan gelombang ultrasonik (umumnya berfrekuensi 40kHz) ketika sebuah osilator diterapkan pada benda tersebut.

Secara umum, alat ini akan menembakkan gelombang ultrasonik menuju suatu area atau suatu target. Setelah gelombang menyentuh permukaan target, maka target akan memantulkan kembali gelombang tersebut.

Gelombang pantulan dari target akan ditangkap oleh sensor, kemudian sensor menghitung selisih antara waktu pengiriman gelombang dan waktu gelombang pantul diterima.

Secara detail, cara kerja sensor ultrasonik adalah sebagai berikut:

1. Sinyal dipancarkan oleh pemancar ultrasonik dengan frekuensi tertentu dan dengan durasi waktu tertentu. Sinyal tersebut berfrekuensi di atas 20kHz. Untuk mengukur jarak benda (sensor jarak), frekuensi yang umum digunakan adalah 40kHz.
2. Sinyal yang dipancarkan akan merambat sebagai gelombang bunyi dengan kecepatan sekitar 340 m/s. Ketika sinyal menumbuk suatu benda, maka sinyal tersebut akan dipantulkan kembali oleh benda tersebut.
3. Setelah gelombang pantulan sampai di alat penerima, maka sinyal tersebut akan diproses untuk menghitung jarak benda tersebut.

Jarak benda dihitung berdasarkan rumus :

S = 340 . t / 2

Dimana:

Aplikasi Sensor Ultrasonik Dalam Kehidupan

Penerapan sensor ultrasonik dalam kehidupan mencakup dalam berbagai bidang. Berikut adalah Aplikasi Sensor Ultrasonik Dalam Kehidupan.

1. Bidang Kedokteran

Gelombang ultrasonik juga bermanfaat untuk diagnosis dan pengobatan dalam bidang kedokteran. Biasanya gelombang ultrasonik akan membantu untuk mendiagnosis berbagai penyakit yang dialami oleh pasien, contohnya penyakit tumor/ kanker.

Kita sering mendengar USG (Ultrasonografi) untuk ibu hamil agar dapat melihat janin dalam kandungannya. Selain itu, USG yang memanfaatkan gelombang ultrasonik ini dapat untuk mendeteksi kista, miom, dan tumor payudara.

Selain digunakan untuk mendiagnosis, sinar ultrasonik juga dapat digunakan untuk menghancurkan tumor, sebab gelombang ultrasonik ini dapat digunakan untuk merusak jaringan tubuh tertentu. Teknologi terbaru, sinar ultrasonik dapat digunakan untuk menghancurkan batu ginjal serta operasi mata dari katarak.

2. Bidang Industri

Dalam bidang industri, gelombang ultrasonik digunakan untuk mendeteksi keretakan pada logam, meratakan campuran besi dan timah, meratakan campuran susu agar homogen, mensterilkan makanan yang diawetkan dalam kaleng, dan membersihkan benda benda yang sangat halus.

Gelombang ultrasonik juga bisa digunakan untuk mendeteksi keberadaan mineral maupun minyak bumi yang tersimpan di dalam perut bumi. Selain itu penggunaan sensor ultrasonik banyak ditemui di pabrik-pabrik, salah satunya sebagai pengukur level muatan pada tangki baik itu berupa zat cair maupun padat.

3. Bidang Militer

Dalam bidang militer, gelombang ultrasonik digunakan sebagai radar atau navigasi, di darat maupun di dalam air. Gelombang ultrasonik digunakan oleh kapal pemburu untuk mengetahui keberadaan kapal selam, dipasang pada kapal selam untuk mengetahui keberadaan kapal yang berada di atas permukaan air, mengukur kedalaman palung laut, mendeteksi ranjau, dan menentukan posisi sekelompok ikan.

4. Bidang Pertanian

Dalam bidang pertanian, sensor ultrasonik digunakan untuk memantau tanaman, aplikasi pupuk, pengukuran level, dan aplikasi lainnya. Sensor ultrasonik juga digunakan untuk memantau sistem irigasi untuk mencegah over watering dan under watering sebagai pencegahan terhadap kerusakan tanaman. Sensor ultrasonik juga digunakan untuk memantau dan mengontrol aplikasi insektisida, pupuk, dan pestisida.

Pestisida digunakan secara luas pada tanaman untuk memastikan kesehatan yang baik dan hasil yang maksimal. Sering kali, ini digunakan secara berlebihan, yang menyebabkan pemborosan. Adopsi sensor ultrasonik mendeteksi celah antara tanaman dalam baris untuk disemprot di tempat-tempat yang tidak ada tanaman.

5. Bidang Otomotif

Dalam bidang otomotif, aplikasi sensor ultrasonik yang umum sekarang ini adalah sistem keamanan saat berkendara pada mobil. Sensor ultrasonik akan mendeteksi rintangan dan memperingatkan bahkan mengerem sebelum kemungkinan terjadinya tabrakan di lingkungan lalu lintas yang padat.

Sensor tersebut ditempatkan pada bumper depan dan belakang sehingga membantu dalam menentukan kecepatan dan jarak melalui gelombang suara. Selain itu sensor ultrasonik juga digunakan pada sistem parkir mobil otomatis.

Rangkaian Sensor Ultrasonik

Sensor ultrasonik terdiri dari beberapa bagian. Berikut adalah rangkaian sensor ultrasonik.

1. Piezoelektrik

Piezoelektrik berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis.

Jika rangkaian pengukur beroperasi pada mode pulsa elemen piezoelektrik yang sama, maka dapat digunakan sebagai transmitter dan reiceiver. Frekuensi yang ditimbulkan tergantung pada osilatornya yang disesuaikan frekuensi kerja dari masing-masing transduser. Karena kelebihannya inilah maka tranduser piezoelektrik lebih sesuai digunakan untuk sensor ultrasonik.

2. Transmitter

Transmitter adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai pemancar gelombang ultrasonik dengan frekuensi tertentu (misal, sebesar 40 kHz) yang dibangkitkan dari sebuah osilator. Untuk menghasilkan frekuensi 40 KHz, harus di buat sebuah rangkaian osilator dan keluaran dari osilator dilanjutkan menuju penguat sinyal.

Besarnya frekuensi ditentukan oleh komponen RLC / kristal tergantung dari desain osilator yang digunakan. Penguat sinyal akan memberikan sebuah sinyal listrik yang diumpankan ke piezoelektrik dan terjadi reaksi mekanik sehingga bergetar dan memancarkan gelombang yang sesuai dengan besar frekuensi pada osilator.

3. Receiver

Receiver terdiri dari transduser ultrasonik menggunakan bahan piezoelektrik, yang berfungsi sebagai penerima gelombang pantulan yang berasal dari transmitter yang dikenakan pada permukaan suatu benda atau gelombang langsung LOS (Line of Sight) dari transmitter.

Oleh karena bahan piezoelektrik memiliki reaksi yang reversible, elemen keramik akan membangkitkan tegangan listrik pada saat gelombang datang dengan frekuensi yang resonan dan akan menggetarkan bahan piezoelektrik tersebut.

Contoh Sensor Ultrasonik

Salah satu contoh sensor ultrasonik yang mudah dijumpai adalah HC-SR04. Sensor ini banyak digunakan karena harganya yang sangat terjangkau.Sensor ini merupakan sensor ultrasonik siap pakai, satu alat yang berfungsi sebagai pengirim, penerima, dan pengontrol gelombang ultrasonik. Alat ini bisa digunakan untuk mengukur jarak benda dari 2 cm - 4 m dengan akurasi sebesar 3 mm.

Alat ini memiliki 4 pin, pin VCC, GND, Trigger, dan Echo. Pin VCC untuk tegangan positif dan GND untuk ground-nya. Pin Trigger untuk trigger/pemicu keluarnya sinyal dari sensor dan pin Echo untuk menangkap sinyal pantul dari benda.

Selain itu sensor HC-SR04 kompatibel dengan Arduino yang saat ini sangat populer di semua kalangan. Di blog ini saya sempat membahas beberapa tutorial terkait dengan HC-SR04 yakni:

1. Tutorial Menggunakan Sensor Ultrasonik Pada Arduino.
2. Tutorial Menampilkan Pembacaan Sensor HC-SR04 Pada LCD.