Internet of Things (IoT) adalah gabungan perangkat keras dan perangkat lunak yang menjalankan fungsi tertentu. Salah satu perangkat keras yang dapat diterapkan di IoT adalah sensor jarak. Sensor jarak adalah perangkat yang dapat mengukur jarak antara perangkat tersebut dan suatu objek atau permukaan. Sensor jarak digunakan untuk mendeteksi jarak objek tanpa menyentuhnya secara fisik. Berbagai properti dapat ditentukan dengan menganalisis perubahan dalam sinyal yang kembali, tetapi kedekatan biasanya diukur sebagai fungsi waktu. Meskipun sederhana pada tingkat dasar, prinsip-prinsip penginderaan jarak dengan cepat menjadi lebih kompleks ketika memperhitungkan teknologi yang berbeda dengan jenis sinyal yang berbeda. Hal ini akan menjadi lebih rumit lagi apabila menyangkut parameter kunci seperti laju sampel, jangkauan, dan resolusi. Pada tingkat yang paling dasar, sensor jarak adalah transduser (yaitu, perangkat yang mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk energi lainnya). Sensor ini bekerja dengan mengeluarkan sinyal pada objek target dan membaca perubahan sinyal yang dipantulkan saat kembali. Tidak seperti pengukuran jarak tradisional (yang melibatkan alat seperti pita pengukur atau kaliper), sensor jarak tidak pernah menyentuh bagian yang diukur secara fisik. Perubahan dapat diukur dalam bentuk waktu yang dibutuhkan sinyal yang dipantulkan untuk kembali, intensitas sinyal yang dipantulkan, atau perubahan fase sinyal setelah dipantulkan.

Pada penerapan perangkat Internet of Things (IoT), ada banyak jenis sensor jarak yang dapat digunakan, diantaranya sensor ultrasonik, sensor LIDAR (Light Distance And Ranging), sensor inframerah, dan masih banyak lagi. Sensor ultrasonik bekerja dengan memancarkan gelombang suara berfrekuensi tinggi dan mengukur waktu yang dibutuhkan gelombang untuk memantul kembali dari suatu objek. Sensor LIDAR (Light Distance And Ranging) menggunakan sinar laser untuk menghitung jarak ke suatu objek berdasarkan waktu yang diperlukan untuk memantulkan cahaya laser. Sensor inframerah bekerja dengan memancarkan seberkas cahaya inframerah dan mengukur waktu yang diperlukan cahaya untuk memantul kembali dari suatu objek. Sensor jarak biasanya digunakan dalam robotika, otomasi, dan aplikasi lain yang membutuhkan pengukuran jarak yang akurat. Sensor ini dapat digunakan untuk deteksi rintangan, pelacakan objek, dan pemosisian, di antaranya.
 

Jenis-jenis Sensor Jarak

1. Sensor Ultrasonik: Sensor ultrasonik adalah instrumen yang mengukur jarak ke suatu objek dengan menggunakan gelombang suara ultrasonik, menggunakan transduser untuk mengirim dan menerima sinyal ultrasonik yang menyampaikan kembali informasi tentang jarak objek. Gelombang suara frekuensi tinggi memantul melintasi batas untuk menghasilkan pola gema yang berbeda. Sensor menentukan jarak ke target dengan mengukur jeda waktu antara pengiriman dan penerimaan pulsa ultrasonik. Proses ini adalah aspek kunci dari cara kerja sensor ultrasonik. Sensor ultrasonik digunakan terutama sebagai sensor jarak. Sensor ini dapat ditemukan dalam teknologi parkir mobil, sistem keamanan anti-tabrakan, sistem deteksi rintangan robotik, serta teknologi manufaktur. Selain itu, sensor ultrasonik juga digunakan sebagai sensor level untuk mendeteksi, memantau, dan mengatur level cairan dalam wadah tertutup (seperti tong di pabrik kimia). Yang paling penting, teknologi ultrasonik telah memungkinkan industri medis untuk menghasilkan gambar organ dalam, mengidentifikasi tumor, dan memastikan kesehatan bayi dalam kandungan.

2. Sensor Inframerah: Sensor inframerah (IR) adalah perangkat elektronik yang mengukur dan mendeteksi radiasi inframerah di lingkungan sekitarnya. Fitur utama dari sensor ini adalah kemampuannya untuk mendeteksi dan mengukur panas, karena semua benda dengan suhu di atas nol mutlak memancarkan energi panas dalam bentuk radiasi. Radiasi IR yang dipancarkan ini difokuskan ke detektor, yang mengubah energi menjadi sinyal listrik yang dapat ditafsirkan atau diukur. Ada dua jenis sensor inframerah yaitu aktif dan pasif. Sensor inframerah aktif memancarkan dan mendeteksi radiasi inframerah. Ketika sebuah objek mendekati sensor, cahaya inframerah dari LED memantul dari objek dan terdeteksi oleh penerima. Sedangkan sensor PIR (Passive Infrared Sensor) adalah jenis sensor gerak yang mendeteksi energi inframerah yang memancar dari objek dalam bidang pandangnya. Ketika objek bergerak yang menghasilkan radiasi inframerah memasuki rentang penginderaan detektor, perbedaan tingkat IR antara dua elemen piroelektrik diukur. Sensor kemudian mengirimkan sinyal elektronik ke komputer yang tertanam, yang pada gilirannya memicu alarm.

3. Sensor LIDAR: Lidar adalah singkatan dari “light detection and ranging”. Kadang-kadang disebut “pemindaian laser” atau “pemindaian 3D”. Teknologi ini menggunakan sinar laser yang aman bagi mata untuk membuat representasi 3D dari lingkungan yang disurvei. Lidar digunakan di banyak industri, termasuk otomotif, infrastruktur, robotika, truk, UAV/drone, industri, pemetaan, dan masih banyak lagi. Karena lidar merupakan sumber cahaya sendiri, teknologi ini menawarkan kinerja yang kuat dalam berbagai kondisi pencahayaan dan cuaca. Pada dasarnya, LiDAR adalah perangkat pengukur jarak, yang mengukur jarak ke suatu target. Jarak diukur dengan mengirimkan pulsa laser pendek dan merekam selang waktu antara pulsa cahaya yang keluar dan deteksi pulsa cahaya yang dipantulkan (dihamburkan kembali). Sistem LiDAR dapat menggunakan cermin pemindai, beberapa sinar laser, atau cara lain untuk “memindai” ruang objek.. LiDAR sebenarnya sangat mirip dengan cara radar dan sonar mengukur jarak, tetapi menggunakan gelombang radio atau suara, melainkan sistem LiDAR menggunakan cahaya. Dengan memperhitungkan arah cahaya yang dikirim, posisi pemindai LiDAR, dan jarak antara dua titik, muatan LiDAR dapat memperoleh posisi 3D yang tepat dari setiap titik yang menjadi tempat sinyal kembali, atau memantul. 

4. Sensor Kamera Time-of-Flight (ToF): Sensor ToF mengukur jarak ke objek target dengan memancarkan cahaya dari sumber, biasanya laser atau LED, dan mendeteksi cahaya yang dipantulkan, berdasarkan waktu yang telah berlalu di antara keduanya. Sensor ini dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu ToF langsung (direct ToF), yang melibatkan pengukuran langsung waktu hingga pantulan terdeteksi, sehingga dapat juga digunakan untuk mengukur target pada jarak jauh dan ToF tidak langsung (indirect ToF), yang mengukur jarak dengan mengakumulasi muatan listrik yang dihasilkan oleh cahaya yang dipantulkan dan melihat pergeseran fasa apapun antara cahaya yang dipancarkan dan yang dipantulkan. Sensor kamera ToF dapat digunakan untuk mengukur jarak dan volume, serta untuk pemindaian objek, navigasi dalam ruangan, penghindaran rintangan, pengenalan gerakan, pelacakan objek, dan altimeter reaktif. Data dari sensor ini juga dapat membantu pencitraan 3D dan meningkatkan pengalaman augmented reality (AR). Pada ponsel, sensor kamera ToF kemungkinan akan digunakan untuk fotografi 3D, AR, dan khususnya mode potret.

5. Sensor Radar: Sensor radar adalah perangkat konversi yang mengubah sinyal gema gelombang mikro menjadi sinyal listrik. Sensor ini menggunakan teknologi penginderaan nirkabel untuk mendeteksi gerakan dengan mencari tahu posisi, bentuk, karakteristik gerakan, dan lintasan gerakan objek. Tidak seperti sensor lainnya, sensor radar tidak terpengaruh oleh cahaya dan kegelapan dan dengan kemampuan untuk mendeteksi penghalang seperti kaca, radar dapat “melihat” melalui dinding. Jika dibandingkan dengan teknologi sensor lainnya, seperti ultrasound, radar dapat merasakan jarak yang lebih jauh dan aman bagi manusia dan hewan. Variasi dalam teknologi radar menawarkan keuntungan yang berbeda tergantung pada frekuensinya. Frekuensi radar tertentu unggul dalam mendeteksi objek dielektrik tinggi seperti mobil, kereta api, truk, dan kargo, bahkan dalam kondisi cuaca ekstrem. Frekuensi radar lainnya dapat mendeteksi objek yang lebih luas dan umumnya mengungguli sensor ultrasonik di sebagian besar aplikasi, termasuk lingkungan luar ruangan. Sensor berbasis radar sangat cocok untuk menghindari tabrakan pada peralatan bergerak seperti reach stacker, forklift, dan kendaraan pertambangan, serta mesin pelabuhan seperti pengangkut, penangan, dan pengirim. 
    

Faktor Pemilihan Sensor Jarak

Berikut ini beberapa faktor yang dipertimbangkan ketika memilih sensor jarak terbaik untuk pembuatan perangkat:

1. Resolusi: Resolusi mengacu pada perubahan terkecil dalam jarak yang mampu dideteksi oleh sensor. Sebagai contoh, sensor Inframerah biasanya memiliki resolusi sekitar 5 mm (meskipun ada sensor IR yang lebih tepat di pasaran). Sensor laser mungkin memiliki resolusi sekitar 1 mm. Bahkan, beberapa sensor laser dapat mendeteksi perubahan pada tingkat mikron.

2. Jangkauan: Dalam konteks sensor jarak, jangkauan mengacu pada jarak maksimum di mana berbagai jenis sensor pengukuran jarak dapat menghasilkan pembacaan yang akurat dan andal. Sebagai contoh, pemindai LiDAR memiliki jarak deteksi hingga 2000 m dengan akurasi ±2 cm.

3. Bahan target: Permukaan yang reflektif, transparan, dan menyerap dapat secara signifikan mempengaruhi kinerja sensor. Pastikan untuk memilih sensor yang sesuai dengan jenis material yang akan diukur jaraknya.

4. Pengulangan: Pengulangan adalah variasi dalam pengukuran yang akan diberikan sensor apabila diuji pada posisi fisik yang sama dengan objek yang sama. Dalam suatu aplikasi, pengulangan setara dengan 'noise'.

5. Nilai linearitas: Dalam dunia yang sempurna, semua nilai yang diukur sepanjang kisaran dari minimum hingga maksimum harus memberikan grafik garis lurus, tetapi kenyataannya tidak demikian. Nilai linearitas mengacu pada deviasi terbesar antara hasil yang sempurna dan hasil yang sesungguhnya.
    

Kesimpulan

Kesimpulannya, sensor jarak adalah perangkat penting yang digunakan untuk mengukur jarak antara objek dan sensor. Pada dasarnya, setiap jenis sensor jarak memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Pemilihan sensor ini didasarkan pada kebutuhan pengguna dan akan tergantung pada persyaratan spesifik aplikasi, termasuk rentang pengukuran, akurasi, resolusi, waktu respons, kondisi lingkungan, dan anggaran. Sensor jarak memiliki berbagai aplikasi di berbagai industri, termasuk robotika, otomasi, sistem keamanan, otomotif, manufaktur industri, konstruksi, pertanian, dan perangkat medis. Penting untuk memilih sensor yang sesuai untuk kasus penggunaan dan kondisi lingkungan tertentu. Selain itu, tindakan dan protokol keamanan yang tepat harus diikuti saat menggunakan sensor jarak, terutama di lingkungan berbahaya. 

Pengembangan sensor saat ini cenderung ke arah peningkatan kompleksitas dalam sistem sensor. Fleksibilitas yang lebih besar dan biaya produksi yang lebih rendah yang terkait dengan teknologi elektronik yang canggih dan terintegrasi memungkinkan pemrosesan komputer yang dulunya memerlukan sistem pemrosesan sinyal yang besar dan canggih, direduksi menjadi sebuah chip mikro elektronik misalnya, sensor cerdas memiliki transduksi, penguatan sinyal, penyaringan, dan pemrosesan lainnya pada satu media. Namun demikian, dari perspektif pengguna akhir, sistem sensor sekarang tampak lebih sederhana, bahkan dengan fungsionalitas dan kompleksitas internalnya yang meningkat. Pendorong teknis utama untuk pengembangan sensor mungkin berasal dari teknologi yang memungkinkan/mendukung selain dari teknologi bahan. Banyak teknik sensor canggih, seperti teknologi hamburan foton dan akustik laser, membutuhkan pengembangan material untuk mendukung implementasi tertentu, bukan transduser sensor.