Pra Riset - Detektor Logam 27 Juni 2003
-
Upload
romadhani-xtalplanet -
Category
Documents
-
view
443 -
download
18
description
Transcript of Pra Riset - Detektor Logam 27 Juni 2003
1. Pendahuluan
Makalah ini menyajikan pembuatan rangkaian detektor logam dengan metode Beat
Frequency Oscilator (BFO). BFO merupakan oscilator biasa dengan rangkaian tangki LC
yang merupakan rangkaian penentu frekuensi yang diatur pada frekuensi tertentu,
pengaturan frekuensi ini harus sesuai dengan permintaan objek agar bekerja maksimal,
kadangkala frekuensi yang sesuai untuk objek itu tidak dapat dideteksi oleh detektor,
karena itu diperlukan osilator yang lain untuk dicampur sehingga memperoleh frekuensi
campuran yang dapat dideteksi detektor. Dalam hal ini BFO menggunakan dua buah
osilatior yang masing-masing bekerja di frekuensi radio, dua osilator ini dicampur untuk
mendapat frekuensi selisih yang bekerja pada frekuensi audio yang dapat didengar.
Osilator pertama merupakan osilator variabel yang frekuensinya dapat berubah sesuai
karakteristik detektornya yang merupakan bagian rangkaian LC nya, sedangkan osilator
kedua merupakan osilator tetap yang digunakan untuk mengurangkan frekuensi osilator
pertama agar didapat frekuensi audio yang dapat didengar. Keluaran dari BFO ini akhirnya
diperkuat untuk didengar perubahan frekuensinya. Jika detektor mendeteksi adanya
logam, hal ini akan menimbulkan variasi frekuensi pada keluaran BFO dan akhirnya
diperkuat dan didengar.
2. Dasar Teori
Detektor logam secara umum dapat dikatakan sebagai alat yang dapat mendeteksi
adanya logam pada jarak tertentu dari sensor. Metode yang digunakan untuk membangun
sebuah rangkaian detektor logam sangat beragam tergantung dari aplikasinya. Maksud
dari aplikasinya adalah apa yang akan dideteksi oleh sensor, apakah itu logam yang
dalam atau logam yang dangkal, atau juga benda non logam. Jadi detektor logam bukan
berarti hanya digunakan untuk mendeteksi adanya logam, yang penting lagi bahwa
sensornya dapat mendeteksi objek yang dipilih.
Diantara metode yang dipakai untuk mendeteksi logam adalah type Beat frequency
oscilator (BFO). Prinsip yang digunakan adalah terjadinya perubahan karakteristik pada
sensor akibat mendeteksi adanya logam. Detektor bekerja berdasarkan frekuensi resonan
yang telah diatur berubah-ubah ketika terdapat onjek berupa logam yang letaknya cukup
dekat dengan sensor search coil. Rabgkaian tuning (tune circuit) harus merupakan bagian
dari rangkaian osilator sehingga jika koil sensior didekati oleh logam tertentu maka
frekuensi output dari rangkaian osilasi akan berubah. Variasi perubahan frekuensi output
ini tergantung dari frekuensi yang dipilih.
Pemilihan frekuensi yang semakin tinggi akan menyebabkan sensitivitas rangkaian
akan semakin meningkat karena perubahan frekuensinya semakin besar. Tetapi apabila
frekuensinya juga terlalu tinggi maka pada prakteknya akan menghasilkan suatu sistem
yang tidak sensitif. Hal ini karena pada frekuensi tinggi sebagian besar tidak akan
dipantulkan kembali oleh objek tetapi lebih banyak diserap oleh tanah dan material
bangunan.
Metode lain yang digunakan untuk detektor logam adalah fix frequency oscilator atau
detektor resonansi dengan frekuensi tetap. Pada prinsipnya metode ini hampir sama
dengan metode BFO tetapi sedikit berbeda pada rangkaian tune circuitnya. Disini
perubahan karakteristik pada search coilnya akan menyebabkan perubahan nilai Q,
sehingga osilator dengan frekuensi tetap akan berubah-ubah amplitudonya.
Search CoilTunedCircuit
Rectifier/Filter
Voltmeter Speaker
Oscilator
Gambar 2Detektor Resonansi dengan Frekuensi tetap
Metode yang digunakan untuk mendeteksi logam yang tertana jauh di dalam tanah
digunakan sistem magnetometer. Sistem ini menggunakan sensor magnet buatan yang
sangat kuat dengan sensor yang berbentuk U.
Pada sensor itu terdapat dua buah kumparan, kumparan yang satu merupakan
kumparan penghasil medan listrik kuat untuk menimbulkan medan magnit kuat pada
sensor itu. Kumparan yang lain dihubungkan ke rangkaian level detektor yang akan
mendeteksi adanya perubahan level tegangan pada sensor tersebut. Detektor dengan
metode magnetometer ini tidak kebal terhadap adanya gangguan yang disebabkan oleh
medan-medan listrik dan medan-medan magnet liar yang disebabkan oleh jaringan listrik
atau bahan-bahan magnetik.
Output dari detektor logam juga beragam, dapat berupa perubahan frekuensi yang
dapat didengar secara langsung oleh pengamat, dengan menggunakan buzzer, lampu
penunjuk dengan LED atau sebuah VU meter. Output dengan menggunakan buzzer dan
LED menggunakan teknik trigger tegangan, dimana tegangan yang dibutuhkan oleh
buzzer atau LED untuk bekerja ditentukan dan kemudian digunakan penyala tegangan
(trigger) untuk mendapat level tegangan yang dibutuhkan itu. Jika sensor tidak mendeteksi
adanya logam, output dari sensor tidak cukup untuk menggerakkan trigger sehingga level
tegangannya tidak cukup untuk menggerakkan buzzer atau LED, jika sensor mendeteksi
adanya logam maka output akan menghasilkan tegangan yang dapat menggerakkan
trigger sehingga level tegangannya dapat menggerakkan buzzer atau LED.
Ke rangkaianLevel Detector
Oscilatordan
RangkaianDriver
Gambar 3Blok diagram detektor logam dengan metode Magnetometer
3. Tujuan dan Permasalahan
Detektor logam dengan banyak metode rangkaian membuat banyak pertimbangan
untuk memilih salah satu diantaranya untuk digunakan. Salah satu pertimbangan adalah
pada sensornya. Konstruksi sensor mempengaruhi hasil pendeteksian. Sensor pendeteksi
logam saat ini sudah banyak yang menggunakan mikrokontroler untuk memberi fungsi-
fungsi pengaturan yang khusus. Hal ini tentunya akan meningkatkan kenyamanan dalam
penggunaan detektor logam dalam pencarian detektor yang diinginkan. Namun inilah yang
menyebabkan detektor logam mempunyai harga yang cukup tinggi. Pada kesempatan ini
akan dibahas mengenai pembuatan detektor logam yang tidak menggunakan
mikrokontroler namun cukup efektif dalam mendeteksi logam. Dan yang paling penting
adalah mudah dibuat dan cukup efektif.
4. Blok Diagram Rangkaian Detektor logam dengan BFO
Metode yang digunakan dalam penulisan makalah ini adalah metode beat frequency.
Pada metode ini, jika sensor (berupa lilitan/search coil) berdekatan dengan logam, maka
karakteristik dari rangkaian osilator akan berubah. Perubahan akan menyebabkan
perubahan frekuensi output dari rangkaian osilator tersebut.
Ketika sinyal dengan frekuensi tertentu yang dihasilkan oleh rangkaian osilator
pada search coil oscilator di campur dengan sinyal dari blok beat frequency oscilator oleh
blok mixer maka akan menghasilkan suatu sinyal dengan frekuensi selisih dari frekuensi
keduanya dan sinyal ini dapat didengar oleh pendengaran manusia. Suara yang dihasilkan
seperti suara ketukandan sering dikenal dengan beat note.
Audio amplifier adalah sebagai penguat tegangan yang akan menguatkan sinyal
sampai ke taraf tegangan tertentu yang dapat digunakan untuk menggerakkan driver
Search coilSearch
coiloscilator
Mixer
AudioFrequencyAmplifier
OutputBuffer
BeatFrequencyOscilator
Meterdrive
Circuit
Speaker
Gambar 6.Blok diagram detektor logam dengan Beat Frequency Oscilator
penguat daya agar dapat menggerakkan speaker, dan juga digunakan untuk
menggerakkan meter driver circuit yang merupakan penunjuk kuat sinyal. Perubahan
frekuensi tergantung dari ukuran logam yang terdeteksi dan jarak antara sensor dengan
logam yang terdeteksi.
5. Cara Kerja Rangkaian
Pada gambar 7 merupakan skematik untuk blok rangkaian osilator sensor dan
osilator beat serta rangkaian suplai power sederhana yang dibangun dari IC LM7805,
yang merupakan IC khusus untuk regulator tegangan dengan output sebesar 5 volt dari
input 12 volt. Tegangan yang telah stabil sebesar 5 volt ini dicatu ke rangkaian osilator
sensor dan osilator beat. Tegangan yang stabil mutlak diperlukan agar perubahan
tegangan pada sumber daya tidak ikut menyebabkan perubahan frekuensi pada osilator.
C1 dan C2 digunakan untuk mengurangi noise yang mungkin saja terjadi. L2
merupakan komponen sensor yang berupa lilitan kawat tembaga dengan email dan
bersama-sama dengan komponen VC1, C3, dan C4 membentuk rangkaian resonansi
paralel yang frekuensi kerjanya ditentukan dari nilai komponen-komponen tersebut, dalam
hal ini yang menyebabkan perubahan frekuensi kerja adalah komponen L2.
Rangkaian tune circuit berfungsi untuk melakukan tuning (menentukan frekuensi
kerja) osilator yang dibentuk oleh TR1. C3 dan C4 mempunyai fungsi yang khusus yaitu
sebagai capacitive tap yang menentukan nilai feedback untuk rangkaian tune circuit
C1 1000uF
V in
C2100uF
Vcc
R162
C5100 nF
TR1MPF102
C31nF
C41nF
R21k
R462
TR2MPF102
C8100nF
C7100nF
R3100k
C7100nF
R51k
VR110k
C9100nF
R91k
TR3BC548
R81k
R71M
C9100nF
R610k
LM7805C/TO220
1 in 3 out
2 GND
1
2
jp 1
12VDc
VC1AM tuner F17k
L2 Search coil
L1 Shield winding
5
9
8
1
4
C11100nF
To amplifier
Gambar 7Rangkaian osilator sensor dan osilator beat
sebagai ganti tap pada search coil. R2 digunakan untuk memberikan arus DC kepada TR1
agar dapat bekerja dengan normal.
TR2, T1, R3, R4 dan C7 merupakan osilator yang kedua yang nantinya akan
dicampur dengan sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian osilator yang pertama. Pada blok
osilator ini, frekuensi kerjanya diatur oleh T1, yang merupakan rangkaian tuning IF standar
yang menggunakan integral kapasitor di dalamnya. Komponen potensimeter VR1
digunakan untuk mengatur level dari sinyal yang dihasilkan oleh blok osilator beat.
Rangakain mixer dibentuk oleh TR3, C9 adalah kopling AC bagi keluaran sinyal
dari osilator search coil, sedangkan R6 digunakan untuk membatasi level sinyalnya.
Sampai di kolekor TR3, sinyal mixing yang masih cukup lemah perlu dikuatkan lagi
dengan menggunakan sebuah operational amplifier, lihat gambar 8. Dalam proyek ini
menggunakan LM324. LM324 mempunyai 4 buah operational amplifier dalam satu
kemasan IC. Suplai tenaganya harus sekitar 9 – 12 VDC.
Sinyal beat, output pada kolektor TR3 masih cukup lemah begitu pula ketika sinyal
ini masuk ke diode D1 (sekitar mV) dan masih belum cukup untuk menggerakkan
transduser. Rangkaian R12, R13, dan C14 menghasilkan sebuah referensi tegangan bagi
operational amplifier dalam menguatkan sinyal beat agar tegangan referensinya terletak
pada tegangan Vin/2. Sedangkan R14 dan R15 digunakan untuk mengatur penguatan
(gain) operational amplifier.
Begitu pula untuk blok rangkaian buffer, gambar 9, R17 dan R16 berfungsi untuk
mengatur tegangan referensi penguatan agar terletak di tengah-tengah tegangan suplai
C1210uF
R1010k
D11N4148
C13100nF
R1127k
C1510uF
R1410k
R151M
R124,7k
R134,7k
C1410uF
Beat output
Vin
Amplifier input
LM324
2
3
4
11
1
Gambar 8Rangkaian penguat sinyal
yaitu Vin/2. pada rangkaian ini LM324 dikonfigurasikan sehingga hanya membentuk
rangkaian voltage follower yang berfungsi sebagai buffer sinyal.
Jika juga dinginkan agar dapat dilihat levelnya dalam sebuah VU meter analog
maka perlu ditambahkan sebuah rangkaian penyearah sederhana yang dibangun dengan
menggunakan operational amplifier dan dioda D2, D3 seperti tampak pada gambar 10.
Penggunaan VU meter penting ketika terjadinya ‘zero beat’ dan juga dapat
berfungsi sebagai indikator kondisi baterai, walaupun tidak menunjukkan nilai tegangan
dari batterai. Penurunan tegangan baterai tentunya akan menurunkan level sinyal audio
yang disearahkan sehingga level tegangan DC yang masuk ke VU meter akan turun pada
kondisi yang sama. R23 digunakan untuk mengatur simpangan maksimum pada VU
meter.
Walaupun disain layout PCB tidak terlalu kritis, namun pada proyek ini
menggunakan sinyal dengan frekuensi yang cukup tinggi sehingga perlu diterapkannya
beberapa aturan.
1. Usahakan tidak membuat jalur PCB yang panjang dalam menghubungkan komponen
ke komponen yang lain.
2. Jangan membuat jalur di bawah komponen, terutama komponen yang membentuk
rangkaian osilator karena akan menyebabkan stray capacitance.
3. Penempatan komponen sebisa mungkin diletakkan berdekatan untuk setiap blok
rangkaian.
4. Penempatan kapasitor decoupling frekuensi tinggi sedekat mungkin dengan komponen
yang dimaksud (seperti TR1) untuk mengurangi noise dan menjaga kestabilan sistem.
6. Konstruksi Search Coil
Ada beberapa metode dalam membuat search coil. Search coil dapat dibentuk
dengan menggunakan kawat tembaga yang mempunyai lapisan email sebanyak 25 lilitan
dengan diameter 18 cm. Bentuk dari lilitannya dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 11.
Konstruksi search coil
Untuk bentuk lilitan Double D mempunyai karakteristik yang cukup baik dalam hal
penunjukkan lokasi, mempunyai daerah pencarian yang cukup besar dan sensitivitas yang
baik. Biasanya digunakan untuk detektor yang besar. Sedangkan lilitan I search coil
Biasanya digunakan untuk detektor yang besar. Sedangkan lilitan search coil yang berupa
persegi panjang mempunyai daerah pencarian yang lebih sempit. Pembuatan pelindung
search coil dan penggunaan poros berputar tergantung dari kebutuhan karena setiap
aplikasi membutuhkan bentuk dari pelindung yang berbeda.
Frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian osilator search coil adalah sekitar 400KHz
sampai 500KHz sehingga nilai L1 (seach coil) perlu disesuaikan dengan kondisi ini. Jika
jumlah lilitan pada search coil kurang/lebih dapat mempengaruhi kerja dari detektor logam
ini. Pengaturan ‘zero beat’ harus dilakukan pertama kali dengan cara mengatur T1 agar
didapatkan suara ketukan, VR1 agar didapatkan kualitas suara yang paling baik. Sampai
di sini T1 perlu di atur ulang (perlahan) sampai tidak didapatkan suara ketukan (beat).
Kecepatan irama (pitch) dapat diatur dengan mengatur VC1. Dalam pengaturan VU meter,
simpangan maksimal perlu diatur. Atur sehingga VC1 menghasilkan output sekitar 1KHz
dan atur VR3 sehingga menghasilkan pembacaan yang maksimal. Ketika kondisi ‘zero
beat’ terjadi maka VU meter juga tidak terjadi simpangan.
7. Kesimpulan
Dalam bagian sebelumnya telah dibahas bagaimana cara membuat detektor logam
yang sederhana yang hanya menggunakan komponen-komponen yang murni analog.
Walau hasilnya memang tidak sebagus detektor logam yang menggunakan mikroprosesor
dan mikrokoktroler, tapi rangkaian ini mudah dibuat, dikalibrasi dan diaplikasikan. Detektor
logam ini mempunyai kelemahan tidak dapat mendeteksi semua logam, tetapi hal itu
dapat diatasi agar ia dapat mendeteksi logam yang dikehendaki dengan mengganti nilai
komponen pembentuk osilator beat dan osilator search coil.
8. Daftar pustaka
- Loveday, George. Intisari Elektronika, Elex Media Komputindo, 1982
- HME ITB. Elektron No.31 TH.X, HME ITB, 1986
- S, Wasito. Teknik Ukur dan Peranti Ukur Elektronik, Elex Media Komputindo,
1987