ANALISIS KAPASITANSI SENSOR DIELEKTRIK MENGGUNAKAN ...

ANALISIS KAPASITANSI SENSOR DIELEKTRIK MENGGUNAKAN

CDC (CAPACITANCE TO DIGITAL CONVERTER) AD7746

Antony Hutahaean[1]

, Agus Santoso Tamsir[2]

Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

[email protected]

ABSTRAK

Skripsi ini membahas desain dan proses mengukur kapasitansi dari sensor dielektrik.

Pengukuran dilakukan dengan menggunakan LCR meter dan menggunakan IC CDC

(Capacitance to Digital Converter) AD7746. Tujuan pengukuran adalah untuk

membandingkan hasil dari kedua pengukuran dan menentukan pengukuran yang lebih tepat.

Selain itu, dilakukan pengukuran sensor dielektrik ketika sensor ditempatkan di udara bebas

dan ketika sensor ditempatkan di atas kertas setebal 10 cm. Pengukuran ini dimaksudkan

untuk membandingkan hasil pengukuran, di mana kertas dianggap sebagai bahan dielektrik.

Proses ini dilakukan untuk membuktikan apakah sensor telah bekerja sebagai sensor

kapasitansi. AD7746 CDC memiliki batas kapasitansi pengukuran dari -4,096 pF sampai

4,096 pF. Oleh karena itu, dalam mengukur nilai diluar batas pengukuran dibutuhkan

pengaturan CAPDAC. Pengaturan ini bertujuan untuk mencocokkan nilai CAPDAC dengan

nilai dielektrik sensor yang diukur. Metode mengukur CDC AD7746 menggunakan

mikrokontroler Arduino yang bertujuan untuk menulis dan membaca data dari program CDC

atau AD7746. Mikrokontroler Arduino juga berfungsi untuk menampilkan hasil pengukuran

pada layar komputer.

Kata Kunci: CAPDAC; CDC (Capacitance to Digital Converter) AD7746; mikrokontroler

Arduino. Sensor dielektrik;

ABSTRACT

This script discusses the design and the process of measuring the capacitance of the dielectric

sensor. Measurements were made using LCR Meter and using IC CDC (Capacitance to

Digital Converter) AD7746. Purpose of measurement is to compare the results of both

measurements and determine a more precise measurement. In addition, measurement of

dielectric sensor when the sensor is placed in free air and at the sensors placed over the paper

as thick as 10 cm. This measurement is intended to compare the results of measurements, in

which the paper is considered as a dielectric material. This process is carried out to prove

whether the sensor has worked as a capacitance sensor. AD7746 CDC has a capacitance

measuring limit of -4.096 to +4.096 pF pF. Therefore, in measuring out the required

measurement limit value settings CAPDAC. This arrangement aims to match the value

CAPDAC with dielectric sensor measured value. Method of measuring the AD7746 CDC

uses an Arduino microcontroller that aims to write and read data from the CDC program or

AD7746. Arduino microcontroller also serves to display the measurement results on a

computer screen.

Keywords: Arduino microcontroller; CAPDAC; CDC (Capacitance to Digital Converter)

AD7746; Dielectric Sensor.

Analisis kapasitansi ..., Antony Hutahaean, FT UI, 2013

1. PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi saat ini sangat cepat sekali. Para peneliti berlomba-

lomba menciptakan alat baru yang dapat dimanfaatkan secara luas oleh manusia.

Dunia sensor merupakan bagian yang terus berkembang pesat. Beragam sensor baru

yang ditemukan, diperbaharui, dan dimanfaatkan untuk manusia. Mulai dari sensor

suara, sentuhan, cahaya, dan lain-lain.

Sensor dielektrik spektral adalah sensor yang dapat menggunakan efek

kapasitansi untuk mengenali bahan dengan menganggap bahan tersebut adalah

dielektrik pada kapasitor. Untuk mendapatkan hasil yang valid, dibutuhkan suatu

kondisi tanpa noise yang dapat mengganggu hasil pengukuran. Sensor dielektrik

memiliki kelebihan dengan tingginya ketepatan pengukuran, sebagai syarat yang

sangat dibutuhkan untuk sebuah sensor.

Untuk mendapat hasil pengukuran yang valid maka diperlukan kalibrasi

terhadap sensor yaitu dengan mengetahui nilai kapasitansi tetap sensor tersebut. Oleh

karena itu digunakan kalibrasi terhadap sensor dan terhadap semua komponen

pendukungnya.

Sensor dielektrikal spektral merupakan suatu alat berbasis kapasitansi dengan

dielektrik yang bervariasi nilainya. Nilai kapasitansi pada sensor dapat dibaca

menggunakan IC CDC (Capacitance to Digital Converter). IC ini mempunyai

keterbatasan dalam pengukuran kapasitansi, oleh karena itu kita harus mengatur nilai

CAPDAC yang sesuai dengan nilai kapasitansi yang sedang kita ukur.

Adapun tujuan dari proses analisis kapasitansi sensor dielektrikal

menggunakan CDC AD7746 adalah untuk membuktikan bahwa sensor tersebut

mempunyai nilai kapasitansi yang akan berubah nilai kapasitansinya sesuai dengan

bahan dielektrikal yang digunakan pada sensor tersebut. Selain untuk mengetahui nilai

kapasitansinya, penelitian ini juga bertujuan untuk membandingkan nilai kapasitansi

sensor dielektrikal pada kondisi-kondisi yang berbeda. Yaitu dengan memanfaatkan

bahan dielektrikal yang digunakan. pada penelitian ini dibandingkan pengukuran

sensor dielektrikal pada udara bebas dan pada kertas.


V

S

d

2. TINJAUAN TEORITIS

2.1 Teori Kapasitansi

2.1.1 Kapasitansi Kondensator Plat Sejajar sebagai Fungsi Luas Permukaan

dan Jarak Antar Plat

Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan dengan

huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik di dalam medan

listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor

ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867). Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad

= 9 x 1011 cm2 yang artinya luas permukaan kepingan tersebut. Struktur sebuah kapasitor

terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan

dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain.

Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu kondensator untuk dapat

menampung muatan elektron. Salah satu jenis kapasitor adalah kapasitor plat sejajar seperti

gambar sebagai berikut:

Gambar 2.1 Kapasitor Plat Sejajar

Jika kedua plat, dengan luas penampang S dan berjarak antara plat d, diberi tegangan

listrik V, maka muatan Q yang dapat disimpan sebanding dengan tegangan listrik yang

diberikan. Tetapan kesebandingannya adalah kapasitansi kapasitor C. Dengan demikian

hubungan muatan, tegangan dan kapasitansi kondensator adalah dengan rumus pada

persamaan (2.1).

Q = C V (2.1)

Dimana :

Q = Muatan elektron dalam C (coulombs)

C = Nilai kapasitansi dalam F (farad)

V = Besar tegangan dalam V (volt)


Kapasitansi C pada persamaan (2.1) berharga tetap, asalkan dimensi plat tidak

berubah. Pada prakteknya, suatu kondensator memiliki tegangan operasi maksimum tertentu.

Dalam kaitannya dengan dimensi plat, kapasitansi kapasitor sebanding dengan luas

penampang S dan berbanding terbalik dengan jarak antar plat. Tetapan kesebandingannya

adalah permitivitas vakum 0. Dengan demikian hubungan antara luas penampang, jarak antar

plat dan kapasitansi kapasitor adalah seperti pada persamaan (2.2).

d

SC 0 (2.2)

Harga permitivitas vakum ε0 = 8.854x10-12

F/m

2.1.2 Pengaruh Bahan Dielektrik pada Kapasitansi Kapasitor

Selain faktor tegangan, luas penampang dan jarak antar plat, terdapat bahan dielektrik

yang dapat disisipkan di antara kedua plat yang mempengaruhi kapasitansi kapasitor.

Disisipkannya bahan dielektrik bertujuan memperbesar kapasitansi. Jika kapasitansi mula-

mula C0, maka kapasitansi kapasitor setelah disisipi bahan dielektrik adalah seperti pada

persamaan (2.3).

rC 0 (2.3)

dengan r adalah permitivitas relatif bahan dielektrik yang berharga lebih besar satu. Untuk

vakum permitivitas relatifnya berharga satu. Jika persamaan (2.2) disubstitusikan ke

persamaan (2.3) diperoleh ungkapan kapasitansi kapasitor plat sejajar yang disisipi bahan

dielektrik adalah seperti pada persamaan (2.4).

d

SC r 0 (2.4)

2.2 (CDC) Capacitance to Digital Converter AD7746

AD7746 adalah IC CDC (Capacitance to Digital Converter) yang mempunyai

resolusi yang sangat tinggi yaitu sebesar 24 bit. Selain itu mempunyai linearitas yang tinggi

juga (±0.01%) dan mempunyai tingkat akurasi pengukuran yang tinggi. AD7746 bisa

membaca kapasitansi input diantara ±4.096 pF yang dapat berubah-ubah, sementara itu dapat

membaca kapasitansi input masukan hingga 17 pF yang bisa diatur dengan mengubah

pemrograman di dalam chip (CAPDAC).

AD7746 ini memiliki dua kanal kapasitansi input yang dapat digunakan pada mode

single atau differential yaitu CIN1 dan CIN2. Komponen ini bisa bekerja pada catu daya


sebesar 2.7 volt hingga 5.25 volt dalam temperatur -40ºC hingga +125ºC. Diagram blok dari

IC AD7746 dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Diagram Blok AD7746

2.3 Mikrokontroler Arduino

Arduino adalah single board microntroller (mikrokontroler dalam satu papan

rangkaian) yang bersifat open source dan sangat populer saat ini. Arduino ini merupakan

turunan dari platform Wiring dan dirancang agar pembuatan proyek mikrokontroler menjadi

lebih mudah dilakukan oleh semua kalangan. Sistem Arduino adalah berupa hardware

menggunakan chip Atmel AVR, software yang berupa bahasa pemrograman standar C, serta

bootloader yang dipasang pada chip utama.

Arduino mempermudah proses pengembangan proyek mikrokontroler, akan tetapi

mempunyai keunggulan menarik dibandingkan dengan tipe mikrokontroler yang lain.

Beberapa kelebihannya yaitu:

- Tidak memerlukan perangkat chip programmer karena di dalamnya sudah terdapat

bootloader yang akan menangani upload program dari komputer.

- Sambungan dari komputer ke board Arduino sudah memiliki sarana komunikasi

USB, sehingga pengguna laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa

menggunakannya langsung.

- Software Arduino dapat dijalankan pada sistem operasi Windows, Macintosh

OSX, dan Linux.

- Bahasa pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan

kumpulan library yang cukup lengkap.


http://panduan.anekarobot.com/apa-dan-mengapa-arduino.html

http://panduan.anekarobot.com/

http://panduan.anekarobot.com/apa-dan-mengapa-arduino.html

- Arduino menggunakan chip AVR ATmega 328 yang memiliki fasilitas PWM,

komunikasi serial, ADC, timer, interupt, SPI dan I2C. Sehingga Arduino bisa

digabungkan bersama modul atau alat lain dengan protokol yang berbeda-beda

seperti shield GPS, Ethernet, SD Card, dan lain-lain.

- Software Arduino dipublikasikan secara open source, sehingga bisa dikembangkan

sendiri oleh para programmer yang sudah mahir dengan menggunakan standar

library C++. Selain itu bisa menggunakan bahasa AVR-C langsung di program

Arduino.

Fitur rangkaian jadi mikrokontroler Arduino dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Fitur Rangkaian mikrokontroler Arduino

3. METODE PENELITIAN

3.1 Perancangan sensor dielektrikal

Perancangan dimulai dengan menggambar schematic rangkaian sensor dielektrikal dan

rangkaian pendukungnya seperti CDC AD7746, kapasitor, dan socket penghubung ke

mikrokontroler. Untuk melakukan penggambaran, digunakan aplikasi Altium Designer yang

mempunyai fitur yang lengkap dalam menggambar schematic. Adapun hasil perancangan

schematic menggunakan Altium Designer adalah seperti pada Gambar 3.1.


http://panduan.anekarobot.com/wp-content/uploads/2012/08/apa-itu-arduino-uno-jual-arduino-anekarobot.jpg

Gambar 3.1 Gambar schematic Sensor dielektrikal

Setelah menggambar schematic, dilanjutkan dengan menggambar lay-out pcb. Dalam

menggambar lay-out pcb perlu diperhatikan ukuran sensor yang digunakan, seperti lebar

sensor, panjang sensor, jarak antar pin dan lain sebagainya. Hal yang paling penting

diperhatikan adalah keunikan dari sensor dielektrikal yang digunakan, dimana sensor ini

terdapat pada 3 buah layer yaitu pada mid-layer1, mid-layer2 dan mid-layer3. Adapun bentuk

dari sensor dielektrikal ini adalah seperti pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Bentuk Sensor Dielektrikal

Pada Gambar 3.2 terlihat bahwa terdapat tiga buah posisi jalur yang berbeda terletak

didalam pcb. Posisi jalur ini berfungsi untuk merubah magnetic field yang nantinya

ditimbulkan apabila sensor diberikan tegangan masukan. Jalur mid-layer1 dan mid-layer2

merupakan sensor dielektrikal, sedangkan jalur ketiga yaitu mid-layer3 adalah ground yang

berfungsi untuk membatasi arah magnetic field agar tidak menyebar ke arah layer bawah.


Komponen Yang Diukur

Pilih Mode Pengukuran

Nilai Komponen Terukur

3.2 Proses pengukuran sensor dielektrikal menggunakan LCR Meter

Untuk mendapatkan hasil pengukuran kapasitansi yang akurat, kita membutuhkan

nilai kapasitansi dari sensor dielektrikal. Oleh karena itu, dilakukan pengukuran nilai

kapasitansi dengan menggunakan LCR (Inductance (L), Capacitance (C), and Resistance (R))

meter. LCR meter adalah alat yang digunakan untuk mengukur nilai Induktansi (L),

Kapasitansi (C), dan Resistansi (R) dari sebuah komponen. Prinsip dasar dari komponen ini

adalah mengukur impedansi internal dari bahan yang diukur. Nilai tersebut yang ditampilkan

dilayar dengan melakukan konversi ke kapasitansi atau induktansi yang sesuai.

Gambar 3.3 Diagram blok pengukuran dengan LCR Meter

Dalam pengukuran kapasitansi (C) atau muatan listrik, pengukuran akan menghitung

jumlah muatan yang disimpan pada titik tertentu atau yang disebut potensial listrik. Dan nilai

itu yang dikonversi menjadi nilai kapasitansinya. Adapun diagram blok pengukuran ini dapat

dilihat pada Gambar 3.3.

Dari diagram blok diatas dijelaskan bahwa proses pengukurannya sangat efisien dan

singkat. Bahan yang akan diukur dihubungkan dengan LCR meter dan setelah itu kita pilih

mode yang digunakan. Yaitu memilih antara mode Induktor (L), Kapasitansi (C) atau

Resistansi (R). Untuk melakukan pengukuran nilai kapasitansi, maka dipilih mode

Kapasitansi (C). Setelah memilih modenya, maka secara otomatis LCR meter akan mengukur

nilai sensor dielektrik dan menampilkan hasil pengukurannya di layar.

Proses pengukuran ini menggunakan beberapa sensor dielektrikal yaitu sebanyak lima

buah sensor. Ini dikarenakan tiap masing-masing sensor mempunyai nilai kapasitansi yang

berbeda-beda. Untuk mendapatkan nilai kapasitansi yang akurat dalam melakukan

pengukuran, maka dilakukan sepuluh kali pengukuran. Dan nilai akhir pengukurannya adalah

nilai rata-rata dari hasil sepuluh kali pengukuran tersebut. Tujuan dari pengukuran


Sensor

Dielektrikal

CDC AD 7746 Mikrokontroler

Komputer Nilai

Kapasitansi

Terbaca

menggunakan LCR Meter ini adalah untuk mengetahui nilai kapasitansi awal sebelum

menggunakan sensor sebagai alat ukur. Atau dapat dikatakan sebagai kalibrasi sensor

dielektrikal.

3.3 Proses pengukuran sensor dielektrikal menggunakan CDC AD7746

Ide awal dari penelitian ini adalah membuat sensor dielektrikal yang nilainya dapat

berubah-ubah sesuai dengan bahan dielektrik di tempat sensor diletakkan. Oleh karena itu,

untuk dapat membaca nilai kapasitansi sensor tersebut, dibutuhkan sebuah IC CDC

(Capacitance to Digital Converter) AD7746. IC CDC ini dapat membaca nilai kapasitansi

dari sensor apabila IC ini diberikan catu daya dan diprogram. Maka digunakan sebuah

mikrokontroller Arduino untuk dapat menulis dan membaca data kedalam IC AD7746

tersebut. Adapun diagram blok dari ide awal penelitian ini adalah seperti pada gambar 3.4.

Gambar 3.4 Diagram blok pengukuran kapasitansi menggunakan IC CDC AD7746

Dari diagram blok pada Gambar 3.4 dijelaskan bahwa kapasitor dihubungkan

langsung dengan IC CDC AD7746, kemudian IC CDC dihubungkan langsung dengan

mikrokontroler Arduino. IC CDC AD7746 berfungsi untuk mengubah nilai kapasitansi yang

terukur ke dalam bentuk digital. Nilai kapasitansi yang berbentuk digital akan diterima oleh

mikrokontroler dan akan diolah menjadi nilai kapasitansi yang ditampilkan pada layar

komputer.

Proses pengukuran ini dilakukan dengan cara menuliskan program perintah ke dalam

IC CDC oleh mikrokontroler dan mikrokontroler juga melakukan perintah pembacaan hasil

pengukuran. Dan nilai-nilai pembacaan tersebut yang dijadikan nilai pengukuran yang

dikonversi terlebih dahulu menggunakan rumus yang telah ditentukan. Agar mikrokontroler

dapat melaksanakan proses pengukuran, terlebih dahulu dilakukan pemrograman terhadap

mikrokontroler, pemrograman ini dilakukan dari komputer dengan menggunakan aplikasi

Arduino-1.0.1. Aplikasi ini yang berfungsi untuk menuliskan dan melakukan interaksi dengan


mikrokontroller Arduino. Dan juga hasil pengukuran dilihat menggunakan aplikasi tersebut.

Proses pengukuran menggunakan CDC AD7746 ini adalah seperti pada Gambar 3.5 berikut

ini.

Gambar 3.5 Proses pengukuran sensor dielektrikal menggunakan CDC AD7746

Hasil pengukuran yang diperoleh menggunakan aplikasi Arduino-1.0.1 adalah berupa

nilai data. Nilai tersebut bernilai dari 0x000000 hingga 0xFFFFFF atau dalam bentuk desimal

bernilai dari 000000 hingga 16777216. Nilai ini mempresentasikan nilai kapasitansi dari -

4,096 pF hingga + 4,096 pF, sehingga diketahui bahwa CDC AD7746 dapat mengukur

kapasitansi maksimal sebesar 8,192 pF.

3.4 Kalibrasi CAPDAC pada CDC AD7746

Gambar 3.6 Gambar rangkaian Single-Ended Mode menggunakan CAPDAC

Untuk melakukan kalibrasi atau mengukur nilai kapasitansi, kita membutuhkan

kapasitor yang telah diketahui nilai referensinya. Kapasitor yang digunakan dalam


pengukuran ini adalah kapasitor yang bernilai antara 1 pF hingga 20 pF. Kapasitor ini

dihubungkan langsung dengan IC CDC AD7746 dengan menggunakan CDC Single-Ended

Input Mode. Mode ini adalah menghubungkan salah satu kaki kapasitor langsung dengan pin

CIN 1 (+) dan satunya lagi dengan pin EXCA. Dengan mode ini maka CDC akan bisa

mengukur kapasitansi sebesar 0-8 pF yaitu dari 0x000000 hingga 0xFFFFFF. Untuk gambar

rangkaian Single-Ended Mode menggunakan CAPDAC dapat dilihat pada gambar 3.6.

Untuk mengukur nilai kapasitansi yang lebih besar dari 8 pF, maka kita mengubah

nilai CAPDAC sesuai referensi kapasitor yang digunakan. Untuk mengubah nilai CAPDAC

dilakukan dengan cara memrogram ulang mikrokontroler. Karena untuk mengubah nilai

CAPDAC dilakukan dengan menuliskan nilai CAPDAC ke dalam IC CDC AD7746. Nilai

CAPDAC diubah sesuai dengan nilai referensi kapasitor yang kita gunakan.

Nilai referensi CAPDAC pada AD7746 digunakan untuk mendapatkan nilai

pengukuran kapasitansi yang sesungguhnya. Dimana nilai hasil pengukuran kapasitansi

adalah penjumlahan antara nilai pembacaan CAPDAC dijumlah dengan nilai referensi

CAPDAC seperti pada persamaan 3.1.

DECCAPREFin CCC (3.1)

4. HASIL PENELITIAN

4.1 Hasil pengukuran sensor dielektrikal menggunakan LCR Meter

Tabel 4.1 Hasil pengukuran sensor menggunakan LCR Meter

SENSOR SENSOR KIRI SENSOR KANAN

DIELEKTRIKAL (pF) (pF)

A 10,7 10,8

B 10,8 10,4

C 10,6 10,9

D 11,2 11,2

E 10,9 10,9

RATA-RATA 10,84 10,84


Seperti pembahasan sebelumnya, dimana dibutuhkan kalibrasi pada sensor untuk

mengetahui nilai kapasitansi awal dari sensor tersebut. Maka dilakukan pengukuran

menggunakan LCR Meter. Pengukuran dilakukan terhadap semua sensor yaitu ada sepuluh

sensor dimana tiap pcb terdapat dua buah sensor. Yaitu sensor sebelah kiri dan sensor sebelah

kanan. Dalam pengukuran sensor dibiarkan pada udara bebas, sehingga nilai kapasitansi yang

terukur adalah nilai sensor tanpa gangguan dari bahan luar. Hasil pengukuran sensor

dielektrikal mengunakan LCR Meter adalah seperti pada tabel 4.1.

4.2 Hasil pengukuran sensor dielektrikal menggunakan CDC AD7746

Pengukuran ini dilakukan menggunakan CAPDAC (10/06-14) yang mempunyai nilai

tengah sebesar 10,09 pF dan mempunyai nilai desimal 76. Pengertian CAPDAC (10/06-14)

adalah bahwa CAPDAC yang digunakan mampu mengukur kapasitansi antara 6 pF hingga 14

pF. Ini dikarenakan CDC AD7746 hanya mampu mengukur kapasitansi sebesar 8,192 pF,

sehingga apabila ingin mengukur kapasitansi yang lebih besar digunakan pengubahan

CAPDAC. Nilai tengah sebesar 10,09 pF merupakan nilai kapasitansi yang telah terkalibrasi

apabila pengukuran terletak pada titik tengah CAPDAC. Sedangkan nilai desimal 76 adalah

nilai yang diprogram pada komputer untuk perintah pengubahan CAPDAC.

4.2.1 Pengukuran pada udara bebas

Pengukuran ini dilakukan dengan menempatkan sensor dielektrikal di tempat terbuka

dengan arah sensor ke arah atas atau langit. Dengan begitu maka magnetik yang ditimbulkan

oleh beda tegangan akan memancar bebas karena tidak ada bahan yang menghalangi. Konsep

dari penggunaan sensor ini adalah pembuktian bahwa apabila diberikan tegangan excitation

terhadap sensor, maka akan timbul fluks magnet yang mengalir dari pin excitation ke pin

CIN.

Gambar 4.1 Proses pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas


Gambar 4.1 merupakan bentuk pengukuran sensor dielektrikal yang dilakukan pada

udara bebas. Pengukuran menggunakan CDC AD7746 yang dihubungkan langsung dengan

mikrokontroler Arduino dan hasilnya ditampilkan pada layar komputer.

Dari Tabel 4.2 diketahui bahwa nilai pengukuran sensor dielektrikal berkisar antara 11

pF hingga 13 pF. Nilai rata-rata pengukuran kapasitansi pada sensor sebelah kiri adalah

sebesar 11,8861 pF dan 11,7764 pada sensor sebelah kanan. Perbedaan nilai pengukuran

antara sensor sebelah kiri dan sebelah kanan sangat kecil, ini membuktikan bahwa proses

fabrikasi pcb dalam pembuatan sensor dielektrikal ini sangatlah bagus.

Tabel 4.2 Nilai pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas

SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KIRI

Kapasitansi

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 11,4419 0,002422 0,0117

B 11,6144 0,001105 0,0068

C 11,5945 0,001045 0,0069

D 12,9813 0,060915 0,3997

E 11,7988 0,001185 0,0074

RATA-RATA 11,8862 0,0133344 0,0865

SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KANAN

Kapasitansi

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 11,4191 0,001308 0,008

B 11,7373 0,000739 0,0045

C 11,6891 0,000946 0,0056

D 12,4076 0,002134 0,0145

E 11,6292 0,001524 0,0084

RATA-RATA 11,77646 0,0013302 0,0082


4.2.2 Pengukuran dengan kertas setebal 10 cm

Gambar 4.2 Proses pengukuran sensor dielektrikal pada kertas

Pengukuran ini dilakukan untuk membuktikan perubahan nilai pengukuran yang

terjadi apabila sensor diberikan penghalang diatasnya. Oleh karena itu digunakan kertas

setebal 10 cm sebagai penghalang bergeraknya fluks magnetik yang dihasilkan oleh sensor.

Pengukuran dengan kertas ini dilakukan dengan menggunakan kertas putih yang belum ditulis

atau belum mempunyai noda. Dari pengukuran menggunakan kertas ini diharapkan mendapat

nilai baru yang nanti akan digunakan sebagai perbandingan dengan pengukuran pada udara

bebas. Proses pengukuran pada kertas menggunakan CDC AD7746 dapat dilihat pada

Gambar 4.2.

Pengukuran ini dilakukan terhadap kelima sensor dan pengukuran dilakukan secara

bergantian antara sensor sebelah kiri dan sensor sebelah kanan. Adapun hasil nilai

pengukuran pada sensor ini adalah seperti pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Nilai pengukuran sensor dielektrikal pada kertas

SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KIRI

Kapasitansi

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 12,3238 0,0024 0,0126

B 11,7586 0,0010 0,0062

C 11,7476 0,0020 0,0139

D 14,1888 0,0000 0

E 12,4516 0,0025 0,0157

RATA-RATA 12,4941 0,0016 0,00968


SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KANAN

Kapasitansi

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 12,6238 0,0025 0,0132

B 12,4896 0,0012 0,0081

C 12,458 0,0052 0,0362

D 13,5637 0,0018 0,0107

E 12,6803 0,0015 0,009

RATA-RATA 12,76308 0,0024 0,01544

Dari nilai-nilai pengukuran pada Tabel 4.3 juga diketahui bahwa terdapat nilai

pengukuran yang berbeda jauh dari pengukuran lainnya. Nilai pengukuran tersebut adalah

pada sensor D. Adanya beda pengukuran yang jauh dari sensor D ini juga terjadi dalam

pengukuran pada udara bebas. Sensor ini mempunyai nilai pengukuran lebih besar sebanyak 1

pF hingga 2 pF dibandingkan dengan sensor lainnya. Kejadian ini disebabkan oleh adanya

kurang ketelitian pada saat fabrikasi pcb sensor yang dilakukan di pabrik yang menyebabkan

perubahan posisi sensor atau bahkan perubahan bahan metal yang digunakan sehingga terjadi

perubahan nilai kapasitansinya. Namun dalam keseluruhan sensor, dapat dikatakan bahwa

fabrikasi sensor sudah sangat bagus dan menghasilkan sensor yang mempunyai ketelitian

yang tinggi.

4.3 Analisis pengukuran sensor dielektrikal menggunakan LCR Meter dan

CDC AD7746

Adanya perbedaan pengukuran sensor dielektrikal yang terjadi antara pengukuran

menggunakan LCR Meter dan CDC AD7746 adalah karena adanya faktor-faktor dari luar

yang mengakibatkan kesalahan pada pengukuran. Adapun perbedaan hasil pengukuran

diantara kedua pengukuran ini adalah seperti ditunjukkan pada Tabel 4.4.

Tabel 4.4 Analisis perbedaan pengukuran antara LCR Meter dengan CDC AD7746

SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KIRI

Beda Ukur

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 0,7419 0,5246 6,9336

B 0,8144 0,5758 7,5407


C 0,9945 0,7032 9,3820

D 1,7813 1,2595 15,9044

E 0,8988 0,6355 8,2458

RATA-RATA 1,0462 0,7397 9,6512

SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KANAN

Beda Ukur

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 0,6191 0,4377 5,7324

B 1,3373 0,9456 12,8586

C 0,7891 0,5579 7,2394

D 1,2076 0,8539 10,7821

E 0,7292 0,5156 6,6899

RATA-RATA 0,93646 0,6621 8,6389

Pada tabel 4.4 terdapat perbedaan pengukuran yang dilakukan antara pengukuran

menggunakan LCR Meter dan pengukuran menggunakan CDC AD7746. Beda pengukuran

ini diperoleh dari nilai pengukuran dari CDC AD7746 dikurangi dengan nilai pengukuran dari

LCR Meter. Dari perbedaan pengukuran ini diperoleh nilai rata-rata perbedaannya, yaitu

sebesar 1,0461 pF pada sensor sebelah kiri dan sebesar 0,9364 pF pada sensor sebelah kanan.

Dari kedua nilai rata-rata tersebut diketahui nilai perbedaan pengukuran ± 1pF.

4.4 Analisis pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas dan kertas

menggunakan CDC AD7746

Pengukuran sensor dielektrikal yang dilakukan dengan dua metode pengukuran yaitu

dengan pengukuran pada udara bebas dan pengukuran pada kertas yang keduanya diukur

menggunakan CDC AD7746 berfungsi untuk mendapatkan beda pengukuran diantara kedua

pengukurannya. Beda pengukuran ini yang akan dibuktikan sebagai bahan dielektrikal dimana

seperti pada teori kapasitansi, dimana struktur dari sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat

metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrikal. Sehingga dari proses pengukuran ini

dimisalkan kertas adalah sebagai bahan dielektrikalnya. Adapun hasil pengukuran dari kedua

metode pengukuran ini ada pada Tabel 4.5.


Selain nilai pengukuran sensor dielektrikal pada udara bebas dan pada kertas setebal

10 cm, pada Tabel 4.5 ini juga terdapat besar nilai perbedaan antara kedua metode. Besar nilai

perbedaan pengukuran ini merupakan wakil dari bahan dielektrikal yang terukur. Dari hasil

perbandingan beda pengukuran, didapat bahwa beda pengukuran pada udara bebas dan pada

kertas adalah sebesar ± 1 pF. Nilai beda pengukuran ini dapat dianalisis kembali dalam

penelitian selanjutnya untuk mengetahui kebenaran bahwa benar nilai tersebut adalah karena

pengaruh dari bahan kertas setebal 10 cm tersebut.

Tabel 4.5 Analisis perbedaan pengukuran pada udara bebas dan pada kertas

SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KIRI

Beda Ukur

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 0,8819 0,6235 7,7076

B 0,1442 0,1019 1,2415

C 0,1531 0,1082 1,3204

D 1,2075 0,8538 9,3018

E 0,6528 0,4615 5,5327

RATA-RATA 0,6079 0,4298 5,1143

SENSOR

DIELEKTRIKAL

SENSOR KANAN

Beda Ukur

(pF)

Standard

Deviasi

%

Kesalahan

A 1,2047 0,8518 10,5498

B 0,7523 0,5319 6,4094

C 0,7689 0,5436 6,5779

D 1,1561 0,8174 9,3176

E 1,0511 0,7432 9,0384

RATA-RATA 0,98662 0,6976 8,3778

Dengan melakukan pengukuran pada udara bebas dan kertas telah terbukti dengan

jelas bahwa terjadi perubahan kapasitansi dan sensor dapat membaca kapasitansi tersebut

dengan menunjukkannya pada hasil pengukuran menggunakan CDC AD7746. Dengan begitu

sensor dielektrikal ini sudah mampu digunakan sebagai sensor kapasitansi walaupun masih


perlu penyempurnaan kembali untuk mendapatkan nilai pengukuran yang lebih stabil dan

tepat.

5. PEMBAHASAN

Pada perancangan sensor dielektrikal ini menggunakan metode perubahan nilai

kapasitansi untuk mengetahui adanya perubahan bahan dielektrikal yang terjadi pada daerah

sensor dielektrikal. Perubahan ini diketahui dengan melakukan pengujian pengukuran pada

lima buah pcb dengan setiap pcb mempunyai dua buah sensor dielektrikal. Pengujian

dilakukan menggunakan IC CDC (Capaciance to Digital Converter) AD7746 yang

dihubungkan dengan mikrokontroler arduino. IC CDC berfungsi untuk membaca nilai

kapasitansi terukur pada sensor dielektrikal dan mengkonversi nilai tersebut kedalam

mikrokontroler arduino. Dalam mikrokontroler nilai kapasitansi tersebut diolah dan

ditampilkan pada layar komputer.

Dalam pengukuran menggunakan CDC AD7746 perlu diperhatikan mode pengaturan

yang digunakan oleh CDC tersebut. Mode yang digunakan dalam pengukuran sensor

dielektrikal ini adalah Single Ended Mode, yaitu mode pengukuran dimana pin CIN 1(+)

dihubungkan dengan salah satu ujung sensor dielektrikal dan ujung satunya lagi dihubungkan

dengan pin EXCA. Dengan mode ini maka CDC mampu mengukur kapasitansi antara +4,096

pF hingga –4,096 pF yaitu sebesar 8,192 pF. IC CDC AD 7746 mampu mengukur kapasitansi

hingga 21 pF, maka untuk mengukur nilai kapasitansi hingga 21 pF diperlukan pengubahan

nilai CAPDAC pada CDC dengan melakukan perintah dari mikrokontroler.

Langkah awal pengukuran sensor dielektrikal dilakukan menggunakan LCR Meter,

dimana nilai hasil pengukuran akan dijadikan sebagai nilai awal atau nilai referensi sensor

dielektrikalnya. Kemudian pengukuran dilakukan menggunakan CDC AD7746. Pada

pengukuran ini dilakukan dua buah metode, yaitu pengukuran pada udara bebas dan

pengukuran diatas kertas setebal 10 cm. Tujuan pengukuran ini dilakukan adalah untuk

mengetahui perubahan nilai kapasitansi yang terjadi apabila pengukuran dilakukan pada

kertas setebal 10 cm dimana kertas tersebut dimisalkan sebagai bahan dielektrikalnya.

Dalam pengukuran dilakukan selama 10 kali setiap sensornya dengan mengambil

sebanyak 10 data tiap pengukuran. Sehingga didapat 100 nilai hasil pengukuran. Dari 100

nilai pengukuran tersebut diambil nilai rata-ratanya yang digunakan sebagai nilai hasil

pengukuran. Selain mengambil nilai pengukuran, dilakukan juga penghitungan nilai standar


deviasi dan penghitungan besar persen kesalahan. Standar deviasi dan persen kesalahan ini

bertujuan untuk mengetahui besar penyimpangan antara nilai tersebut dengan nilai rata-rata

pengukuran. Nilai ini nanti akan digunakan untuk mengetahui ketelitian dari hasil pengukuran

tersebut.

Setelah melakukan seluruh pengukuran terhadap sensor dielektrikal dengan

menggunakan LCR Meter dan CDC AD7746, maka diketahui bahwa terjadi perubahan nilai

kapasitansi. Perubahan nilai kapasitansi ini dapat disebabkan oleh adanya kesalahan

pengukuran, adanya gangguan dari sekitar, dan bahkan adanya kesalahan orang yang

melakukan pengukuran. Akan tetapi adapun beda pengukuran tidaklah terlalu besar.

Begitu juga dengan pengukuran yang dilakukan pada udara bebas dan pengukuran

pada kertas setebal 10 cm, perubahan kapasitansi terjadi dalam setiap sensor. Dimana nilai

kapasitansi pada pengukuran kertas setebal 10 cm lebih besar dibandingkan dengan

pengukuran pada udara bebas. Ini membuktikan bahwa kertas setebal 10 cm yang berfungsi

sebagai bahan dielektrik berfungsi diukur menggunakan sensor dielektrikal. Selain itu

diperoleh juga hasil rata-rata pengukuran terhadap seluruh sensor, bahwa nilai pengukurannya

mempunyai nilai rata-rata yang hampir sama. Ini ditandai dengan kecilnya nilai standar

deviasi dan nilai persen kesalahannya. Ini membuktikan bahwa fabrikasi yang dilakukan

dalam pembuatan sensor sangat teliti sehingga telah sesuai berfungsi sebagai sensor yang

mempunyai ketelitian yang tinggi.

6. KESIMPULAN

Berdasarkan perancangan dan pengukuran yang dilakukan menggunakan LCR Meter dan IC

CDC AD7746 terhadap sensor dielektrikal maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai

berikut :

1. Pengukuran menggunakan IC CDC AD7746 mempunyai hasil pengukuran yang

lebih akurat dibanding pengukuran dengan LCR Meter dibuktikan dengan nilai

standar deviasai dan persen kesalahan yang bernilai mendekati nol.

2. Pemilihan penggunaan CAPDAC adalah sesuai nilai kapasitansi acuan yang diukur

menggunakan LCR Meter dimana pada sensor dielektrikal berikut menggunakan

CAPDAC (10 /6-14).

3. Nilai kapasitansi pada semua sensor dielektrikal hampir sama dan membuktikan

fabrikasi pcb sensor sangat bagus.


4. Nilai kapasitansi sensor dielektrikal pada pengukuran diatas kertas lebih besar

dibandingkan pengukuran pada udara bebas, membuktikan adanya perubahan

kapasitansi yang disebabkan oleh berubahnya bahan dielektrikal.

7. DAFTAR ACUAN

[1] 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter with Temperature Sensor AD7745/AD7746.

Diunduh pada 4 Desember 2012.

http://www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/ad-

converters/ad7746/products/product.html

[2] Interactive Matter- Arduino & AD7746. Diunduh pada 4 Desember 2012.

http://interactive-matter.eu/blog/2009/07/18/arduino-ad7746/

[3] Apa dan Mengapa Arduino. Diunduh pada 4 Desember 2012.


[4] http://arduino.cc/

[5] Li, Xiaobe; Measuring Physiscal Properties of Organic Material Using Dielectric

Spectroscopy; University of Washington. Diunduh pada tanggal 4 Desember 2012

http://www.ee.washington.edu/research/seal/pubfiles/MSEE_Xiaobei.pdf

[6] Microwave Dielectric Spectroscopy Workshop. Diunduh pada tanggal 4 Desember

2012



http://www.ee.washington.edu/research/seal/pubfiles/MSEE_Xiaobei.pdf

ANALISIS KAPASITANSI SENSOR DIELEKTRIK MENGGUNAKAN ...

Documents