Definisi Tegangan dan Regangan
Regangan(Strain)
Regangan didefinisikan sebagai jumlah perubahan bentuk yang dialami oleh suatu objek dibandingkan dengan ukuran serta bentuk mulanya (perbandingan antara penambahan nilai panjang berbanding nilai panjang mula-mula).
Istilah regangan pada sebagian besar kasus dideskripsikan sebagai penambahan panjang pada suatu bagian.
Regangan dapat disebabkan oleh efek dari suatu gaya.
Regangan adalah besaran yang tidak memiliki dimensi dan biasanya ditunjukan dalam bentuk persentasi. Tipikal pengukuran untuk Regangan adalah kurang dari 2mm/m untuk besi dan sering ditunjukan dalam satuan micro-strain. 1(satu) micro-strain yaitu Regangan yang menghasilkan perubahan satu per satu juta (1/1.000.000).
Tegangan(Stress)
Tegangan (Stress) didefinisikan sebagai perbandingan gaya yang terjadi pada suatu benda dengan luasan penampangnya
Tegangan biasanya muncul sebagai hasil dari penerapan gaya, tetapi sering terjadi dikarenakan efek gaya dari dalam suatu bahan atau didalam suatu sistem yang lebih besar.
Sebagai contoh, mari bayangkan suatu kabel yang ditambatkan di atas dan tergantung kebawah. Kita berikan beban diujung kabel tersebut untuk menariknya turun. Hal tersebut menerapkan gaya kearah bawah. Kita dapat melihat hal tersebut pada gambar dibawah, dimana A merupakan area melintang asli dari kabel tersebut, dan L merupakan panjang asli dari kabel tersebut. Dalam contoh ini, bahan tersebut (kabel) mengalami tegangan yang dinamakan sebagai tegangan poros (axial stress).
Unit tersebut sama dengan tekanan(pressure) dikarenakan tekanan(pressure) merupakan variasi lain dari tegangan(stress). Diluar hal tersebut, tegangan tetap merupakan kuantitas yang lebih kompleks dari tekanan(Pressure), dikarenakan dia berubah menyesuaikan arah gaya pada permukaan yang mengalami tegangan(Stress).
Kita dapat menghitung tegangan tersebut dengan mengkalikan Regangan dan modulus Young.
Gaya(Force)
Young's Modulus
Hubungan antara tegangan dan Regangan – modulus Young
Modulus Young, yang juga dikenal modulus tarik atau modulus elastis, merupakan pengukuran kekakuan dari suatu elastisitas bahan dan kuantitas yang digunakan untuk mengetahui karakteristik suatu bahan. Young modulus didefinisikan rasio dari tegangan(stress) (gaya per unit area) pada poros sumbu tertentu bebanding dengan regangan (strain) (rasio dari perubahan bentuk terhadap bentuk aslinya) pada sumbu tertentu sebagaimana sesuai dengan hukum hooks law
Semakin tinggi young modulus suatu benda, maka semakin kaku benda tersebut.
Modulus young (E) , dapat dihitung melalui perbandingan antara tegangan(stress) dan regangan (strain)
Dimana
- E adalah Modulus Young (modulus elastisitas)
- F adalah gaya yang diberikan pada objek dalam tegangan
- A0 adalah area bagian melintang mula-mula dimana gaya diberikan
- ΔL adalah perubahan panjang
- L0 adalah panjang mula-mula dari suatu objek
Berdasarkan satuan sistem unit internasional (SI), nilai satuan pada modulus Young adalah Pascal (Pa atau N/m2 atau Kg/ms2). Dalam praktiknya satuan yang digunakan adalah megapascal (MPa atau N/mm2) atau gigapascal (GPa atau kN/mm2).
Dalam satuan unit yang digunakan di Amerika Serikat, modulus Young ditunjukan dengan pound per square inch (psi)
Mengukur Modulus Elastisitas
Modulus elastisitas dan tegangan tarik pada suatu bahan dapat dihitung dengan cara melakukan prosedur uji tarik (tensile test)
Prosedur dari pengujian sistem mekanis yaitu bahan yang terpilih dijepit diantara dua penjepit. Penjepit bagian bawah diperkuat pada permukaan, sedangkan penjepit bagian atas bergerak keatas dengan tingkat perpindahan tertentu.
Sistem pengujian tersebut merekam gaya yang dibutuhkan untuk merenggangkan suatu bahan terhadap perubahan posisi dari penjepit
Engineer mengukur luasan mula-mula bagian melintang dari suatu bahan sample dan panjang mula-mula diantara penjepit tersebut. Setelah itu, mereka dapat melakukan perhitungan tegangan dari data gaya dan Regangan dari data perubahan panjang. Seluruh data tersebut dapat menghasilkan diagram tegangan-tegangan seperti yang ditunjukan pada gambar dibawah ini.
Jenis-Jenis Tegangan(Stress)
1. Normal Stress
Kita mengetahui dua jenis tegangan normal(normal stress) -Tegangan Tarik (tensile) dan Tegangan Tekan (compressive Stress). Jika tegangan Tarik menghasilkan nilai positif, maka tegangan tekan akan menghasilkan nilai negative.
Tegangan normal(normal stress) muncul saat gaya tarikan atau gaya tekan bereaksi dan bekerja saling berlawanan.
1.1 Tension Stress (ketegangan)
Gambar dibawah, kita dapat melihat beban tarikan diberikan pada sebuah benda persegi yang padat. Respon dari benda tersebut Ketika diberi beban tarik dipengaruhi oleh kekakuan dan kekuatan material penyusun bahan tersebut.
1.1 Compression Stress (Tegangan kompresi)
Gambar dibawah ini menunjukan sebuah benda Ketika mengalami gaya tekan(compression). Lekukan yang terjadi pada permukaan bahan dipengaruhi juga oleh kekakuan dan kekuatan bahan tersebut
1. Shear Stress (tegangan geser)
Gambar dibawah menunjukan sebuah bahan mengalami pembebanan yang mengakibatkan munculnya tegangan geser. Tegangan geser(shear stress) terjadi Ketika suatu gaya bekerja sejajar pada suatu bidang penampang. Pada tegangan geser selain kekuatan dan kekauan suatu bahan, kerekatan atau kekuatan elemen suatu bahan juga perlu dipertimbangkan.
Strain Gauge dan Gauge Factor
Strain Gauge
Strain gauge adalah sebuah sensor yang nilai resistansinya dapat berubah Ketika mendapatkan sebuah perlakuan. Sensor strain gauge dapat mendeteksi setiap perubahan gaya. Strain gauge biasanya digunakan untuk mengukur regangan yang terjadi pada suatu bahan. Sensor strain gauge juga dapat digunakan untuk mengukur berat(massa). Sensor strain gauge pada dasarnya adalah sebuah foil resistor, sebuah bahan logam berbentuk menyerupai garis kisi-kisi yang dilekatkan pada sebuah lebaran tipis dan membentuk sebuah luasan. Karena membentuk suatu luasan, sebuah foil strain gauge memiliki dimensi panjang dan lebar. Ketika foil strain gauge mengalami gaya tarik atau gaya tekan, maka nilai resistansinya akan berubah. Perubahan nilai resistansi ini lah yang nantinya akan dikonversi ke besaran-besaran fisik lainnya.
Sensor strain gauge memiliki nilai tahanan awal, untuk strain gauge yang digunakan untuk aplikasi trasducer biasanya memiliki nilai tahanan 350 ohm, sedangkan strain gauge yang langsung dipasang atau ditempelkan pada permukaan objek yang akan diukur memiliki nilai resistansi awal sebesar 120 ohm. seperti yang telah kita ketahui nilai tahanan atau resistansi dari strain gauge akan berubah sesuai dengan perubahan bentuk objek yang akan dideteksi perubahannya. Permasalahannya nilai perubahan resistansi pada strain gauge sangatlah kecil dan sulit untuk diamati. Untuk itu ketika melakukan pengukuran menggunakan strain gauge diperlukan sebuah alat berupa amplifier atau pengondisian sinyal agar nilai yang akan diukur lebih muda diamati dan lebih mudah dikonversi kebesaran fisik lainnya.
Pada proses pengukuran objek menggunakan strain gauge. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi nilai keluaran dari hasil pengukuran. Faktor-faktor yang mempengaruhi pengukuran menggunakan strain gauge antara lain suhu, panjang kabel, dan proses perekatan sensor pada permukaan.
Gauge Factor (GF)
Nilai resistansi pada foil strain gauge akan berubah ketika strain gauge tersebut mengalami proses penarikan. Selain nilai resistansi yang berubah, pada sisi bagian memanjang pada foil strain gauge juga akan berubah dari nilai panjang awal. Perbandingan antara perubahan nilai resistansi dan perubahan panjang foil strain gauge disebut sebagai Gage factor (GF).
Gauge Factor tidak bergantung pada suhu, akan tetapi, hal itu penting diketahui, hanya yang berhubungan dengan perubahan nilai resistansi dari Regangan jika disana tidak terdapat efek dari suhu. Pada kondisi ideal nilai resistansi dari sensor strain gauge baru akan berubah jika objek permukaan yang diukur mengalami deformasi atau perubahan bentuk.
Bagaimana Cara Memilih Strain Gauge?
1. Memilih Berdasarkan Gage Length (Panjang Gauge)
Panjang Gage (gauge lengt) merupakan total panjang material metal yang diletakan pada lapisan foil tipis. Panjang gage (gauge length) ini nantinya berpengaruh pada rentang perubahan panjang dan resistansi sensor ketika pengalami perubahan gaya. Rentang panjang foil strain gauge berkisar antara 0.2 mm sampai dengan 100 mm. tapi yang umum digunakan adalah ukuran 3 mm sampai dengan 6 mm.
Untuk strain gauge berukuran panjang kurang dari 3 mm biasanya digunakan jika kita akan melakukan pemasangan pada objek dengan dimensi luasan yang kecil. Pada pengukuran ini nilai akurasi strain gauge juga relative lebih kecil atau tidak begitu akurat, namun masih pada rentang ukur yang dibutuhkan.
Strain gauge dengan ukurang gage lengt lebih dari 6 mm dapat diplih ketika ada kebutuhan proses pemasangan yang cepat. Semakin besar ukuran gage langet maka akan semakin mudah ditempelkan pada objek yang akan diukur. Strain gauge dengan ukuran lebih 6 mm biasanya digunkan untuk mengukur regangan pada permukaan beton. Selain itu strain gauge dengan ukuran ini memiliki respon terhadap perubahan suhu yang kecil, sehingga nilai akan lebih akurat.
2. Memilih Strain Gauge Berdasarkan Nilai Resistansi
Nilai resistansi pada strain gage berkaitan langsung dengan sensitifitasnya. Semakin tinggi nilai resistansinya, semakin tinggi pula sensitifitasnya.
Strain gauge dengan resistansi 350 ohm atau 1000 ohm biasanya digunakan atau diimplementasikan pada instrumentasi pengukuran yang sudah dalam bentuk transducer atau sudah terjadi proses pengondisian sinyal seperti load cell dan pressure tranducer. Strain gauge dengan nilai resistansi ini lebih sensitive dan lebih stabil pada hasil pengukurannya.
Jika ingin melakukan pengukuran regangan secara langsung atau sebuah foil strain gauge langsung ditempelkan pada bidang yang akan diuji nilai regangannya, nilai resistansi 120 ohm dapat digunakan. Namun yang perlu diperhatikan adalah pemilihan panjang kabel dan diameter kabel yang digunakan.
3. Memilih Strain Gauge Berdasarkan Gage Pattern
Seperti yang telah dijelaskan pada artikel sebelumnya, sensor strain gauge merupakan sebuah logam yang ditanamkan pada sebuah lembaran isolator tipis. logam yang telah ditanamkan pada lembaran isolator tipis tersebut membentuk sebuah pola bentuk menyerupai garis kisi-kisi. pola atau corak yang dimiliki pada strain gauge mengarah pada penggunaan yang lebih spesifik pada saat melakukan porses pengukuran.
Strain Rosette
Pengukuran strain gauge dengan pola standart atau pola pada umumnya hanya dapat digunakan untuk melakukan pengukuran pada perubahan regangan arah tunggal atau satu arah saja. Ketika diberi suatu gaya sebuah luasan permukaan benda akan mengalami regangan. Regangan yang terjadi pada suatu benda, pada beberapa kasus ternyata tidak hanya merenggang pada satu arah saja. Sebuah benda dapat merenggang ke dua arah atau tiga arah sekaligus. Proses pengukurang sebuah luasan benda yang terindikasi merenggang ke berbagai arah tidak bisa hanya menggunakan strain gage jenis pola tunggal. Untuk melakukan proses pengukuran regangan dengan lebih dari satu arah ini diperlukan strain gauge berjenis rossete.
Pada dasarnya strain gauge rossete merupakan strain gauge dengan pola tunggal yang dipasang pada titik berdekatan dan memiliki arah pemasangan yang berbeda. Namun untuk mempermudah pemasangan produsen pembuat strain gauge telah membuat strain gauge rossete dengan berbagai macam pola yang diletekan pada satu foil isolator. Beberapa pola strain gauge rossete yang ada tentunya memiliki fungsi dan tujuan tertentu pada saat akan digunakan melakukan proses pengukuran regangan
Corak pengukur tergantung pada jumlah grid dan layout dari grid tersebut.
Pilihlah strain gage dengan poros tunggal jika engkau hanya memerlukan satu arah untuk diukur atau jika engkau terbatas dalam keuangan, karena dua atau tiga strain gage dengan poros tunggal lebih murah dibandingkan dengan strain gage dengan poros ganda atau tiga unsur.
Pilihhlah strain rosette dengan poros ganda (0A-90A tee rosette), jika kalian butuh untuk mengukur prisip dari tegangan, yang mana prisip sumbunya sudah diketahui.
pilihlah strain resette dengan tiga unsur (0A-45A-90A rosette persegi atau 0A-60A-120A delta rosette) jika kalian ingin mengukur prisip tegangan dan engkau tidak mengetahui prinsip sumbunya.
Kita mengetahui dua susunan yang berbeda pada strain rosette multi-poros, planar dan menumpuk.
Pilihlah strain rosette dengan susunan plananr jika kalian memiliki permasalahan dengan pembuangan panas atau kalian memiliki akurasi dan kestabilan yang kritis. Susunan planar memiliki pengukur yang lebih dekat untuk mengukur permukaan dan tidak ada penghalang diantaranya.
Pilihlah strain rosette dengan susunan bertumpuk jika gradien Regangan besar. Susunan bertumpuk mengukur Regangan dititik yang sama atau jika kalian memiliki keterbatasan pada ruang pemasangan.
Wheatstone Bridge
Strain gauge merupakan sensor yang dapat mendeteksi perubahan bentuk sebuah objek yang diukur. Akibat dari perubahan bentuk tersebut sebuah benda akan mengalami perenggangan atau penekanan. Perubahan deformasi yang dialami oleh sebuah objek dapat diukur menggunakan sensor Strain gauge.
Keluaran atau output dari sensor strain gauge adalah besaran elektrik berupa perubahan nilai resistansi. Sebenarnya perubahan resistansi dari hasil keluaran sensor strain gauge dapat dikalkulasi dan menghasilkan nilai besaran lainnya, namun proses pengamatan perubahan resistansi pada sensor strain gauge sangat sulit, karena perubahan nilai resistansi yang muncul ketika mendeteksi perubahan fisik objek nilainya sangat kecil. Sehigga sulit untuk diamati.
Pada tahun 1843 Sir Charles Wheatstone mengenalkan metode pengukuran resistansi menggunakan jembatan wheatstone bridge. Jembatan wheatstone bridge merupakan solusi dalam pengukuran nilai resistansi dari sebuah sensor strain gauge.
Jembatan wheatstone bridge tersusun atas beberapa resistor yang dipasang secara parraler. Salah satu resistor yang terpasang pada jembatan wheat stone bridge memiliki nilai yang dapat berubah-ubah. Misal strain gauge. Sedangkan resistor lainnya memiliki nilai yang tetap. Resistor yang tersusun seri-parraler ini dihubungkan oleh sumber tegangan. Selain sumber tegangan jembatan wheat stone bride memiliki keluaran berupa nilai tegangan (voltage). Pada kondisi seimbang nilai tegangan output dari jembatan wheatstone brige akan bernilai Nol. Nilai output dari jembatan wheatstone bridge akan berubah seiring juga perubahan nilai resistansi dari strain gauge yang akan kita ukur nilainya.
Contoh gambar dibawah menunjukan bagaimana strain gage memanfaatkan sirkuit Wheatstone Bridge. Hal itu juga menunjukan bagaimana strain gage dapat diikat untuk mencoba suatu objek.
Apabila disana tidak ada gaya yang diberikan kepada objek, kedua strain gage tersebut memiliki ketahanan yang sama dan jembatan sirkuit seimbang. Tetapi saat gaya kebawah diberikan, objek akan menekuk kebawah dan akan menarik strain gage #1 dan mengkompresi strain gage #2 dalam waktu yang bersamaan. Jumbatan akan menjadi tidak seimbang dan perbedaan voltage akan muncul. Hal ini ditunjukan dengan baik pada gambar kedua.
Strain Gauge Wiring System
Pengukuran menggunakan sensor strain gauge dengan rangkaian wheatstone bridge memiliki beberapa konfigurasi. konfigurasi dasar wheatstone bridge antara lain quarter bridge, half bridge, dan full bridge. pada saat akan melakukan pengukuran pada suatu bahan, kita perlu mengetahui respon atau efek bahan tersebut ketika diberi sebuah perlakuan.
Dibawah ini terdapat beberapa konfigurasi pengukuran menggunakan rangkain wheatstone bridge
No | Bridge Configuration | External impact measured | Application | Description | Advantage and disadvantage |
---|---|---|---|---|---|
1 |
Strain measurement on a tension/ compression bar Strain measurement on a bending beam |
Simple quarter bridge Simple quarter bridge circuit with one active strain gauge |
+ Easy installation - Normal and bending strain are superimposed - Temperature effects not automatically compensated |
||
2
|
Strain measurement on a tension/ compression bar Strain measurement on a bending beam |
Quarter bridge with an external dummy strain gauge Two quarter bridge circuits, one actively measures strain, the other is mounted on a passive component made of the same material, which is not strained |
+ Temperature effects are well compensated - Normal and bending strain cannot be separated (superimposed bending) |
||
3 | Strain measurement on a tension/ compression bar Strain measurement on a bending beam |
Poisson half-bridge Two active strain gauges connected as a half bridge, one of them positioned at 90° to the other |
+ Temperature effects are well compensated when material is isotrop | ||
4 | Strain measurement on a bending beam | Half bridge Two strain gauges are installed on opposite sides of the structure |
+ Temperature effects are well compensated + Separation of normal and bending strain (only the bending effect is measured) |
||
5 | Strain measurement on a tension/ compression bar | Diagonal bridge Two strain gauges are installed on opposite sides of the structure |
+ Normal strain is measured independently of bending strain (bending is excluded) | ||
6 | Strain measurement on a tension/ compression bar Strain measurement on a bending beam |
Full bridge 4 strain gauges are installed on one side of the structure as a full bridge |
+ Temperature effects are well compensated + High output signal and excellent common mode rejection (CMR) - Normal and bending strain cannot be separated (superimposed bending) |
||
7 | Strain measurement on a tension/ compression bar | Diagonal bridge with dummy gauges Two active strain gauges, two passive strain gauges |
+ Normal strain is measured independently of bending strain (bending is excluded) + Temperature effects are well compensated |
||
8 | Strain measurement on a bending beam | Full bridge Four active strain gauges are connected as a full bridge |
+ Separation of normal and bending strain (only the bending effect is measured) + High output signal and excellent common mode rejection (CMR) +Temperature effects are well compensated |
||
9 |
|
Strain measurement on a tension/ compression bar | Full bridge Four active strain gauges, two of them rotated by 90° |
+ Normal strain is measured independently of bending strain (bending is excluded) + Temperature effects are well compensated + High output signal and excellent common mode rejection (CMR) |
|
10 | Strain measurement on a bending beam | Full bridge Four active strain gauges, two of them rotated by 90° |
+ Separation of normal and bending strain (only the bending effect is measured) + Excellent common mode rejection (CMR) + Temperature effects are well compensated |
||
11 | Strain measurement on a bending beam | Full bridge Four active strain gauges, two of them rotated by 90° |
+ Separation of normal and bending strain (only the bending effect is measured) + High output signal and excellent common mode rejection (CMR) + Temperature effects are well compensated |
||
12 | Strain measurement on a bending beam | Half bridge Four active strain gauges connected as a half bridge |
+ Separation of normal and bending strain (only the bending effect is measured) + Temperature effects are well compensated + High output signal and excellent common mode rejection (CMR) |
Quarter Bridge System
Rangkaian wheatstone bridge yang menggunakan sistem quarter bridge, sensor strain gauge yang terpasang pada rangakaian hanya satu strain gauge. tiga komponen lain yang berupa resistor(fixed resistor) diberi nilai yang tetap . sistem ini digunakan untuk pengukuran umum seperti mencari nilai regangan dan tegangan suatu objek. sistem ini merupakan sistem yang paling mudah diaplikasikan pada proses pengukuran. pada tipe strain gauge yang hanya memiliki dua kabel penghubung sistem ini cenderung tidak memiliki kompensasi terhadap perubahan temperatur. untuk mengatasi hal tersebut jika ingin menggunakan konfigurasi ini disarankan menggunakan sensor strain gauge yang memiliki 3 kabel penghubung.
Half-Bridge System
pada sistem half-bridge, dua sensor strain gauge terhubung pada wheatstone bridge dimana terdapat dua resistor (fixed-resistor) dengan nilai yang tetap. sistem half-bridge dapat mengkopensasi suhu dengan cara menjadikan salah satu sensor strain gauge menjadi dummy gage sedangkan sensor lainnya aktif melakukan pengukuran. kedua sensor juga bisa difungsikan sebagai aktif strain gauge, dengan cara ini kita dapat menghilangkan komponen nilai regangan yang tidak menjadi objek ukur.
Full Bridge System
Full bridge system merupakan konfigurasi dengan empat strain gauge yang saling terhubung pada wheatstone bridge. rangkaian ini biasanya digunakan untuk transducer pengukur regangan. dengan konfigurasi ini strain gauge dapat melakukan atau meningkatkan kompensasi terhadap perubahan suhu serta dapat menghilngkan nilai pengukuran regangan yang tidak menjadi objek ukur.