DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA

perpustakaan.uns.ac.id

digilib.uns.ac.id

DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA

Disusun Oleh :

NILA WULAN SARI NIM M0207048

SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Januari, 2012 commit to user

i


digilib.uns.ac.id

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi dengan judul

: Desain Sensor Serat Optik Untuk Pengukuran Indeks Bias Larutan Garam dan Larutan Gula

Yang ditulis oleh Nama

: Nila Wulan Sari

NIM

: M0207048

Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada Hari

: Jum’at

Tanggal

: 13 Januari 2012

Dewan Penguji: 1.

Dra. Riyatun, S.Si.,M.Si

......................................

NIP. 19680226 199402 2 001 2.

Drs. Iwan Yahya, M.Si.

.......................................

NIP. 19670730 199302 1 001 3.

Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D

....................................

NIP. 19680508 199702 1 001 4.

Mohtar Yunianto, S.Si, M.Si

.....................................

NIP. 19800630 200501 1 001

Disahkan oleh Ketua Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta

Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. commit to user NIP. 19680508 199702 1 001 ii


digilib.uns.ac.id

PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul “DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA” adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, 28 Desember 2011

Nila Wulan Sari

commit to user

iii


digilib.uns.ac.id

DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA

Nila Wulan Sari Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta Email : [email protected]

ABSTRAK Telah dilakukan penelitian Desain Sensor Serat Optik Untuk Pengukuran Indeks Bias Larutan Garam Dan Larutan Gula. Pada penelitian ini, sumber cahaya yang berasal dari LED (λ=630 nm) masuk ke dalam serat optik transmitter lalu dipantulkan oleh cermin dan ditangkap oleh serat optik receiver di dalam larutan. Intensitas cahaya ditangkap oleh serat optik receiver dan serat optik referensi selanjutnya masuk ke dalam photodetector yang dalam penelitian ini diterjemahkan oleh oscillosscope sebagai tegangan puncak-puncak (mV) dimana pada oscillosscope tercatat dua nilai tegangan yaitu tegangan receiver dan tegangan referensi. Dari eksperimen terlihat adanya perubahan intensitas cahaya yang ditangkap oleh serat optik receiver akibat perubahan jarak. Semakin besar konsentrasi suatu larutan, jarak posisi puncaknya juga semakin besar. Keteraturan dalam kemiringan slope kanan dan slope kiri dari grafik intensitas cahaya terpantul melawan besar pergeseran tidak teramati. Dari posisi puncak tiap larutan didapatkan sebuah korespondensi satu-satu antara posisi puncak dari tiap konsentrasi larutan terhadap acuan yang berasal dari pengukuran indek bias dari refraktometer abbe. Kata Kunci : Sensor serat Optik, Sensor indeks bias, Serat optik, Indeks bias

commit to user

iv


digilib.uns.ac.id

FIBER OPTICS SENSOR DESIGN FOR MEASUREMENT OF SALT AND SUGAR SOLUTION REFRACTIVE INDEX

Nila Wulan Sari Departement of Physics. Mathematics and Natural Sciences Faculty Sebelas Maret University Email : [email protected]

ABSTRACT Research of Fiber Optics Sensor Design for Measurement of Salt and Sugar Solution Refractive Index has been done. In this study, light source from the LED (λ = 630 nm) came into the fiber optic transmitter, reflected by the mirror, and captured by fiber optic receiver in the solution. Light intensity was captured by a fiber optic receiver and a reference optical fiber, came into the photo detector, the intensity converted by oscilloscope as voltage peaks (mV) where the oscilloscope was recorded into two voltage values of voltage receiver and voltage reference. From the experiments were observed any change in the intensity of light captured by a fiber optic receiver caused by the changes of distance. The higher concentration of a solution, the larger the distance of its peak position. Regularity of the left slope and right slope of the intensity of light graph was reflected against the unobserved of the displacement number. From the peak position of each solution was obtained a one by one correspondence between the peak position of each concentrate solution due to the reference which came from the refractive index from concentrate refractometer abbe. Keywords: Fiber Optic Sensors, Sensor refractive index, fiber optics, refractive index

commit to user

v


digilib.uns.ac.id

DAFTAR ISI

Halaman HALAMAN JUDUL ......................................................................................

i

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................

ii

HALAMAN PERNYATAAN ........................................................................

iii

HALAMAN ABSTRAK ................................................................................

iv

HALAMAN ABSTRACT ..............................................................................

v

MOTTO ..........................................................................................................

vi

KATA PENGANTAR .....................................................................................

vii

DAFTAR ISI ....................................................................................................

viii

DAFTAR TABEL ............................................................................................

x

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................

xi

DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................

xiii

BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................

1

1.1. Latar Belakang ...................................................................................

1

1.2. Rumusan Masalah .............................................................................

3

1.3. Batasan Masalah ...............................................................................

3

1.4. Tujuan Penelitian ..............................................................................

3

1.5. Manfaat Penelitian ............................................................................

4

BAB II DASAR TEORI .................................................................................

5

2.1. Indeks bias (refractive index) ............................................................

5

2.2. Pemantulan dan Pembiasan ...............................................................

6

2.3. Hukum Snellius..................................................................................

7

2.4. Pemantulan Internal Sempurna (Total Internal Reflection) ...............

8

2.5. Serat Optik ( Fiber Optik ) .................................................................

10

2.6. Numerical aperture (NA) ..................................................................

11

2.7. Sensor Serat Optik ............................................................................

13

2.8. Konsentrasi Larutan ..........................................................................

16

2.7. Hubungan Intensitas dan Tegangan .................................................. commit to user

18

viii


digilib.uns.ac.id

BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................

20

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ...........................................................

20

3.2. Alat dan Bahan ...................................................................................

20

3.2.1. Alat .............................................................................................

20

3.2.2. Bahan..........................................................................................

20

3.3. Prosedur dan Pengumpulan Data ......................................................

22

3.4. Persiapan Alat dan Bahan .................................................................

23

3.5. Set up alat ..........................................................................................

23

3.6. Pengambilan Data .............................................................................

25

3.7. Pengolahan dan Analisa Data ............................................................

28

3.8. Simpulan ............................................................................................

28

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................

29

4.1. Perancangan Sensor Fiber optik Sebagai Alat Ukur Indek Bias........

29

4.1.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan ...............................

30

4.1.2. Kemiringan kurva ....................................................................

37

4.1.3. Range atau jangkauan ..............................................................

40

4.2. Analisa ..............................................................................................

42

4.2.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan ...............................

42

4.2.2. Pengaruh Indek Bias Terhadap Tegangan ...............................

44

4.2.3. Pengaruh Suhu terhadap Hasil Penelitian ................................

44

4.2.4. Hubungan Indek Bias Terhadap Acuan ...................................

44

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .........................................................

48

5.1. Kesimpulan .......................................................................................

48

5.2. Saran .................................................................................................

48

DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................

49

LAMPIRAN ....................................................................................................

51

commit to user

ix


digilib.uns.ac.id

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1. Indeks Bias pada Beberapa Zat pada λ = 589 nm

6

Tabel 4.1. Posisi puncak dari larutan garam dengan variasi konsentrasi

35

Tabel 4.2. Posisi puncak dari larutan gula dengan variasi konsentrasi

35

Tabel 4.3. Pemodelan intensitas cahaya yang diterima serat optik receiver 36 Tabel 4.4. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan

39

tegangan pada larutan garam Tabel 4.5. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan

40

tegangan pada larutan gula Tabel 4.6. Indeks bias larutan garam diambil pada λ= 630 nm

45

Tabel 4.7. Indeks bias larutan gula diambil pada λ= 630 nm

47

commit to user

x


digilib.uns.ac.id

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1.

Perambatan cahaya pada hukum Snellius

8

Gambar 2.2.

Pemantulan internal sempurna

9

Gambar 2.3.

Serat Optik

10

Gambar 2.4.

Lintasan cahaya dalam serat optik

11

Gambar 2.5.

Sudut penerimaan pada fiber optic

12

Gambar 2.6.

Komponen dasar dari system sensor serat optik

14

Gambar 2.7.

Jenis sensor serat optik ekstrinsik dan intrinsik

14

Gambar 2.8.

Sensor serat optik tipe intrinsik yang berdasarkan modulasi 16

Gambar 3.1.

Alat Penelitian

21

Gambar 3.2.

Bahan Penelitian

22

Gambar 3.3.

Prosedur Penelitian

22

Gambar 3.4.

Perancangan alat penelitian

24

Gambar 4.1.

Set alat pengukuran indeks bias

29

Gambar 4.2.

Ilustrasi cahaya yang dipantulkan cermin dan diterima

30

oleh serat optik receiver Gambar 4.3.

Grafik hubungan antara pergeseran jarak dengan tegangan 32 puncak-puncak pada larutan garam

Gambar 4.4.

Grafik hubungan antara pergeseran jarak dengan tegangan 33 puncak-puncak pada larutan gula

Gambar 4.5.

Hubungan jarak pergeseran dengan konsentrasi larutan

34

yang berbeda Gambar 4.6.

Pemodelan pengaruh pergeseran jarak terhadap intensitas

36

Gambar 4.7.

Hasil pemodelan pengaruh pergeseran terhadap intensitas 37

Gambar 4.8.

Contoh kemiringan kurva pada larutan garam 1 molar

38

Gambar 4.9.

Contoh kemiringan kurva pada larutan garam 1 molar

38

Gambar 4.10. Kemampuan Serat Optik Menangkap Intensitas

42

Gambar 4.11. Bentuk transmisi sinar pada serat optik commit to user

43

xi


digilib.uns.ac.id

Gambar 4.12. Cahaya yang tidak dapat masuk ke dalam inti serat optik

44

karena kesalahan pemotongan Gambar 4.13. Hubungan indeks bias dengan posisi puncak larutan garam 45 Gambar 4.14. Hubungan indeks bias dengan posisi puncak larutan gula

commit to user

xii

46


digilib.uns.ac.id

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1. Grafik kemiringan hubungan pergeseran jarak dan tegangan 51 pada larutan garam,dengan variasi konsentrasi larutan Lampiran 2. Grafik kemiringan hubungan pergeseran jarak dan tegangan 52 pada larutan gula dengan variasi konsentrasi larutan Lampiran 3. Data Pergeseran Sensor Fiber Optik Pada Larutan Garam

55

Lampiran 4. Data Pergeseran Sensor Fiber Optik Pada Larutan Gula

70

commit to user

xiii


digilib.uns.ac.id

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah Pembiasan cahaya adalah peristiwa penyimpangan atau pembelokan cahaya karena melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Pembiasan cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada kedua medium. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan dengan laju cahaya pada medium yang kurang rapat. Menurut Christian Huygens pada tahun 1678 : “Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa dengan laju cahaya dalam suatu zat dinamakan indeks bias.” (Tipler. 2001) Indeks bias merupakan salah satu sifat penting suatu medium untuk divais optik. Indeks bias memainkan peran yang cukup penting di dalam beberapa bidang diantaranya adalah dalam studi karakterisasi optis lapisan tipis (Saleh, 2003). Dalam bidang spektroskopi, indeks bias dapat digunakan untuk menginterpretasikan data-data spektroskopi, yang antara lain digunakan untuk mendesain laser zat padat (Singh, 2002). Dalam bidang kimia, penelitian yang dilakukan oleh Yunus

et al (2009) menunjukkan bahwa indeks bias dapat

digunakan untuk menentukan kemurnian dan kadaluarsa dari oli. Sedangkan penelitian yang dilakukan Sutiah (2008) menunjukkan bahwa indeks bias dapat digunakan untuk menentukan kemurnian minyak goreng. Konsentrasi suatu larutan akan berpengaruh secara proporsional terhadap sudut refraksi. Dengan arti bahwa jika larutan yang dicari indeks biasnya sama, tetapi konsentrasinya berbeda, maka akan diperoleh hubungan bahwa semakin besar konsentrasi, maka semakin besar pula indeks biasnya. Indeks bias suatu zat cair pada suatu panjang gelombang tertentu sangat dipengaruhi oleh apa yang terkandung dalam zat tersebut. (Abdul, 2010) Indeks bias suatu larutan dapat diukur dengan menggunakan beberapa metode antara lain dengan metode interferometri yang meliputi interferometri Mach-Zender, interferometri Fabry-Perot dan interferometri Michelson (Pedrotti commit to user dan Pedrotti, 1993). Metode-metode ini merupakan metode yang sangat akurat 1


2 digilib.uns.ac.id

untuk mengukur indeks bias. Akan tetapi metode-metode tersebut mempunyai beberapa kelemahan, antara lain pengoperasian alat yang cenderung rumit dan membutuhkan waktu yang lama. Metode lain yang sering digunakan untuk mengukur indeks bias adalah dengan menggunakan kisi difraksi, polalizer, spektrometer dan refraktometer. Refraktometer merupakan salah satu cara untuk mengukur indeks bias dari larutan-larutan yang dibuat dengan konsentrasi berbeda, sehingga didapatkan hubungan indeks bias versus konsentrasi, dengan demikian refraktometer dapat digunakan untuk mengukur konsentrasi untuk indeks bias larutan tertentu yang databasenya telah dibuat. Perkembangan metode pengukuran indeks bias dilakukan dengan menggunakan serat optik. Sensor pengukuran indeks bias menemukan berbagai aplikasi di industri untuk menemukan parameter fisik seperti konsentrasi, temperatur, dan tekanan. Banyak orang telah mengusulkan desain sensor serat optik yang berbeda untuk mengukur indeks bias. Antara lain penelitian yang dilakukan Banerjee et al (2007) menggunakan serat optik sebagai sensor dengan menghilangkan cladding dimana ketebalan dari cladding dapat mempengaruhi sensitivitas sensor. Govindan et al (2009) mengusulkan desain sensor pergeseran serat optik dan menunjukkan bahwa posisi puncak intensitas tergantung pada indeks bias medium. Sengupta et al (2010) mengukur konsentrasi gliserol menggunakan sensor serat optik dari bahan plastik dengan prinsip kerja sensor jarak serat optik dan fluktuasi intensitas pada reflektor. Kelebihan sensor serat optik dibandingkan sensor konvensional adalah karena sensitivitas yang tinggi dan frekuensi yang luas dan dapat digunakan pada lingkungan yang dimana untuk sensor konvensional tidak dapat digunakan. Sejalan dengan percobaan-percobaan tersebut, maka pada penelitian ini akan didesain alat sensor serat optik yang lebih sederhana dan tetap mempunyai sensitivitas yang tinggi untuk mengukur indeks bias larutan hanya dengan menggunakan dua untai serat optik, satu berfungsi sebagai transmitter (pemancar) dan yang lain sebagai receiver (penerima). Serat optik yang akan digunakan commit user daripada penelitian yang telah dalam penelitian ini berdiameter lebih tobesar


3 digilib.uns.ac.id

dilakukan sebelumnya, hal demikian memberikan kemudahan. Karena dengan penggunaan serat optik yang berdiameter lebih besar, dimaksudkan agar intensitas cahaya yang masuk ke serat optik lebih banyak dibandingkan dengan menggunakan serat optik yang berdiameter kecil.

1.2. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang di atas, maka rumusan masalah dari penelitian ini adalah sebagai berikut : a. Bagaimana mendesain alat serat optik untuk mengukur indeks bias larutan garam dan larutan gula? b. Bagaimana hubungan antara indeks bias dengan konsentrasi larutan pada panjang gelombang cahaya tampak? c. Bagaimana hubungan antara NA ( Numerical Aperture) dengan jarak pergeseran yang didapatkan dari pengukuran indeks bias?

1.3. Batasan Masalah Permasalahan Penelitian ini dibatasi pada : a. Pengukuran indeks bias menggunakan dua untai serat optik yang berfungsi sebagai pemancar dan penerima. b. Larutan yang digunakan adalah larutan garam dan larutan gula dengan variasi konsentrasi dari 1 M, 2 M, 3 M, 4M dan 5 M. c. Proses pengukuran indeks bias menggunakan variasi jarak dari 0 mm – 10 mm dengan rentang perpindahan 0.20 mm.

1.4. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : a. Dapat mendesain alat serat optik untuk mengukur indeks bias larutan garam atau larutan gula. b. Dapat mencari hubungan antara indeks bias dengan konsentrasi larutan pada panjang gelombang cahaya tampak. commit to user

4 digilib.uns.ac.id


c. Dapat mencari hubungan antara NA ( Numerical Aperture) dengan jarak pergeseran yang didapatkan dari pengukuran indeks bias.

1.4. Manfaat Penelitian Dapat mendesain alat serat optik untuk mengukur indeks bias suatu larutan atau bahan cair dan dapat membuat sensor serat optik untuk mengukur indeks bias suatu larutan garam dan larutan gula.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB II DASAR TEORI

2.1. Indeks bias (refractive index) Pembiasan cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada kedua medium. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan dengan laju cahaya pada medium yang kurang rapat. Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa dengan laju cahaya dalam suatu zat dinamakan indeks bias. Secara matematis dapat dirumuskan sehingga : 2.1

dimana : n = indeks bias c = laju cahaya dalam ruang hampa ( 3 x 10 8 m/s) v = laju cahaya dalam zat Ketika sebuah berkas cahaya mengenai sebuah permukaan bidang batas yang memisahkan dua medium berbeda, seperti misalnya sebuah permukaan udara-kaca, energi cahaya tersebut sebagian akan dipantulkan dan sebagian lagi akan memasuki medium kedua, dengan arah lintasan yang berbeda dengan arah saat cahaya akan masuk. Perubahan arah dari sinar yang ditransmitansikan tersebut disebut pembiasan (Tipler. 2001). Indeks bias tidak pernah lebih kecil dari 1 (artinya, n ≥ 1) dan nilainya untuk beberapa zat ditampilkan pada Tabel. 2.1.

commit to user

5

6 digilib.uns.ac.id


Tabel 2.1. Indeks Bias pada Beberapa Zat pada λ = 589 nm (Tipler. 2001) Medium

n/c

Udara hampa

1,0000

Udara (pada STP)

1,0003

Air

1,333

Es

1,31

Alkohol etil

1,36

Gliserol

1,48

Benzena

1,50

Kaca Kuarsa lebur

1,46

Kaca korona

1,52

kaca flinta

1,58

Lucite atau plexiglass

1,51

natrium klorida

1,53

Berlian

2,42

2.2. Pemantulan dan Pembiasan Ketika gelombang dari tipe apapun mengenai sebuah penghalang datar misalnya cermin, maka gelombang-gelombang baru dibangkitkan dan bergerak menjauhi penghalang tersebut. Fenomena ini disebut dengan pemantulan (refleksi). (Tipler. 2001) Ketika sebuah berkas cahaya mengenai sebuah permukaan bidang batas yang memisahkan dua medium berbeda, seperti misalnya sebuah permukaan udara kaca, energi cahaya tersebut dipantulkan dan memasuki medium kedua, perubahan arah dari sinar yang ditransmisikan tersebut disebut pembiasan (refraksi). (Tipler. 2001) Setiap cahaya yang datang pada suatu medium optis ke medium optis yang lain, pada bidang batas kedua medium tersebut cahaya akan mengalami peristiwa pemantulan (cahaya akan kembali masuk ke medium yang pertama) dan juga mengalami peristiwa pembiasan (cahaya diteruskan masuk ke dalam medium yang kedua). Menurut prinsip Fermat, besarnya sudut pantul akan sama dengan commit to user besarnya sudut datangnya cahaya tadi. Sedangkan menurut prinsip Snellius,


7 digilib.uns.ac.id

apabila sinar datang dari medium optis kurang rapat ke medium optis lebih rapat, maka sinar tersebut akan dibiaskan cenderung mendekati garis normal, jadi sudut datang akan lebih besar dari sudut bias dan sebaliknya apabila sinar datang dari medium optis lebih rapat ke medium optis kurang rapat, maka sinar akan dibiaskan cenderung menjauhi garis normal, sehingga sudut datang akan lebih kecil dari sudut bias. Dalam hal sinar datang dari medium optis lebih rapat ke medium optis kurang rapat, apabila sudut datangnya semakin besar maka pada suatu saat sudut biasnya akan sama dengan 90°, dan mulai saat itu tidak ada lagi sinar yang dibiaskan. Keadaan pemantulan semua sinar datang ini disebut dengan pemantulan sempurna dan sudut datang yang menghasilkan sudut bias sebesar 90°disebut sudut kritis. (Tipler. 2001)

2.3. Hukum Snellius Hukum Snellius adalah rumus matematika yang memberikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas. Hukum ini menyebutkan bahwa nisbah sinus sudut datang dan sinus sudut bias adalah konstan, yang tergantung pada medium. Perumusan lain yang ekivalen adalah nisbah sudut datang dan sudut bias sama dengan nisbah kecepatan cahaya pada kedua medium, yang sama dengan kebalikan nisbah indeks bias. Perumusan matematis hukum Snellius adalah

sin  i v1 n2   sin  r v 2 n1

(2.2)

n1 sin  i  n2 sin  r

(2.3)

v1 sin  r  v2 sin  i

(2.4)

atau

atau

Lambang θi,θr merujuk pada sudut datang dan sudut bias, v1 dan v2 pada kecepatan cahaya sinar datang dan sinar bias. Lambang n1 merujuk pada indeks bias medium yang dilalui sinar datang, commitsedangkan to user n2 adalah indeks bias medium

8 digilib.uns.ac.id


yang dilalui sinar bias. Hukum Snellius dapat digunakan untuk menghitung sudut datang atau sudut bias, dan dalam eksperimen untuk menghitung indeks bias suatu bahan. Pada tahun 1678, Christian Huygens menjelaskan hukum Snellius dari penurunan prinsip Huygens tentang sifat cahaya sebagai gelombang. Hukum Snellius dikatakan, berlaku hanya pada medium isotropik atau "teratur" pada kondisi cahaya monokromatik yang hanya mempunyai frekuensi tunggal, sehingga bersifat reversibel. Hukum Snellius dijabarkan kembali dalam rasio (Gambar 2.1) :

sin  i v1 2   sin  r v 2 1

λ1

(2.5)

Garis Normal Sinar Pantul

Sinar Datang

θ’r

θi

n1 n2 θr

λ2

Sinar Bias

n1 > n2 Gambar 2.1. Perambatan cahaya pada hukum Snellius ( Alonso, 1980 )

2.4. Pemantulan Internal Sempurna (Total Internal Reflection) Pemantulan internal sempurna adalah pemantulan yang terjadi

pada

bidang batas dua zat bening yang berbeda kerapatan optiknya. Pada gambar 2.2 ditunjukkan pemantulan sempurna dengan bidang batas dua zat commit to user < .

dan

dengan

9 digilib.uns.ac.id


cahaya bias n1 n2 J

K

bidang batas

L

cahaya datang

cahaya pemantulan sempurna

Gambar 2.2. Pemantulan internal sempurna ( Nanang,2011 )

Cahaya datang yang berasal dari

(medium optik lebih rapat) menuju ke

udara (medium optik kurang rapat) dibiaskan menjauhi garis normal (berkas cahaya J). Pada sudut datang tertentu, maka sudut biasnya akan 900 dan dalam hal ini berkas bias akan berimpit dengan bidang batas (berkas K). Sudut datang ini dinamakan sudut kritis (sudut batas). Apabila sudut datang melebihi sudut kritis, maka cahaya tidak lagi dibiaskan, tetapi seluruhnya dipantulkan (berkas L). Peristiwa inilah yang dinamakan pemantulan internal sempurna. Beberapa peristiwa pemantulan sempurna dapat kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya : a) Terjadinya fatamorgana b) Intan dan berlian tampak berkilauan c) Teropong prisma d) Periskop prisma e) Serat optik, digunakan pada alat telekomunikasi atau bidang kedokteran. Serat ini digunakan untuk mentransmisikan percakapan telefon, sinyal video, dan data komputer.

2.5. Serat Optik ( Fiber Optik ) Serat optik adalah saluran transmisi yang terbuat dari kaca murni atau plastik yang panjang dan berdiameter commit tosebesar user rambut manusia. Serat optik

10 digilib.uns.ac.id


digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Cahaya yang ada di dalam serat optik sulit keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara (Keiser, 2000). Struktur serat optik biasanya terdiri dari 3 bagian, yaitu core (inti), cladding (kulit), dan coating (mantel) atau buffer (pelindung). Adapun gambar serat optik dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Serat Optik (Keiser, 2000)

Penjelasan dari setiap bagian serat optik adalah sebagai berikut : 

Inti (core) adalah sebuah batang silinder yang terbuat dari bahan dielektrik yang tidak menghantarkan listrik. Salah satu contoh bahan dielektrik yaitu bahan silika (SiO2), biasanya diberi doping dengan germanium oksida (GeO2) atau fosfor penta oksida (P2O5) untuk menaikan indeks biasnya. Inti ini memiliki jari-jari sekitar 8–200 µm dan indeks bias n1 sekitar 1,5.



Kulit (cladding) yaitu material yang melapisi inti, yang terbuat dari bahan dielektrik (silika tanpa atau sedikit doping). Kulit ini memiliki jari- jari sekitar 125 – 400 µm dan indeks bias n2 sedikit lebih rendah dari n1.



Jaket (buffer) merupakan pelindung lapisan inti dan cladding. Bagian ini terbuat dari bahan plastik yang elastis. Walaupun pada dasarnya cahaya merambat sepanjang inti serat, namun kulit memiliki beberapa fungsi seperti : a. Mengurangi rugi-rugi hamburan pada permukaan inti. b. Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan. c. Mengurangi cahaya yang rugi-rugi dari inti ke udara sekitar. commit to user d. Menambah kekuatan mekanis.



Serat optik mengirimkan data dengan media cahaya yang merambat melalui serat kaca. Lintasan cahaya yang merambat di dalam serat optik dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Lintasan cahaya dalam serat optik (Keiser, 2000)

Penjelasan dari Gambar 2.4 adalah sebagai berikut : a.

Sinar merambat lurus sepanjang sumbu serat tanpa mengalami gangguan.

b.

Sinar mengalami refleksi, karena memiliki sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis dan akan merambat sepanjang serat melalui pemantulan yang berulang kali.

c.

Sinar akan mengalami refraksi dan tidak akan dirambatkan sepanjang serat karena memiliki sudut datang yang lebih kecil dari sudut kritis.

2.6. Numerical aperture (NA) Sinar cahaya yang masuk ke dalam inti serat optik membentuk sudut datang tertentu terhadap poros serat optik. Sudut yang menuju ke arah permukaan serat optik, tidak semua akan diteruskan. Tetapi ada syarat tertentu agar sinar yang datang tersebut dapat diteruskan. Sudut dimana sinar diterima oleh serat optik yang disebut sebagai numerical aperture. Secara umum numerical aperture (NA) dapat dirumuskan :

NA  n sin 

commit to user

(2.6)



Dengan θ adalah cone (kerucut) dari sudut penerimaan, n adalah indeks bias dari medium cahaya datang.Untuk lebih jelas tentang NA, ilustrasi dari cahaya masuk dan penurunan rumusnya dapat dilihat dari Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Sudut penerimaan pada fiber optik ( Keiser, 2000 )

Pertama cahaya masuk dari medium dengan indeks bias n0 dan sudut kemiringan θi. Karena indeks bias antara medium datangnya cahaya (n0) berbeda dengan indeks bias core (n1) maka terjadilah pembiasan sinar dengan sudut bias sebesar θr. Kejadian tersebut memenuhi persamaan (2.7).

n0 sin  i  n1 sin  r

(2.7)

Sinar yang dibiaskan tersebut kemudian menumbuk core-cladding interface. Jika sudut datang tersebut lebih kecil dari sudut kritis, maka cahaya tersebut akan dibiaskan kembali. Cahaya yang dibiaskan tersebut disebut dengan unguided ray. Sedangkan jika sudut datang tersebut lebih besar dari sudut kritis, maka cahaya akan dipantulkan sempurna. Cahaya yang dipantulkan sempurna ini disebut dengan guided ray. Nilai dari sudut kritis dapat dicari melalui persamaan (2.8). (2.8) dimana n1 adalah core indeks dan n2 adalah cladding indeks. Dari Gambar 2.5 nilai dari NA dapat dirumuskan:

r 

 2

  c sehingga

commit to user NA  n0 sin  i  n1 sin  c  n12  n22

(2.9)



Untuk nilai n1 mendekati nilai n0, NA dapat dirumuskan :

NA  n1 2

(2.10)

dengan, 

n1  n2 n1

(2.11)

Umumnya NA pada single-mode fiber adalah 0,1 dan untuk multy-mode fiber berkisar antara 0,2 sampai 0,3. Sejak numerical aperture berhubungan dengan sudut maksimal yang dapat diterima, persamaan itu dapat digunakan untuk menjelaskan sinar yang diterima serat optik dan untuk menghitung efisiensi sumber sinar menuju serat optik (Keiser, 2000).

2.7. Sensor Serat Optik Serat optik merupakan media transmisi cahaya yang dapat diaplikasikan sebagai sensor untuk pengukuran beragam parameter seperti pergeseran, suhu, tekanan, kelembaban, laju aliran fluida, laju rotasi, konsentrasi suatu zat, medan Iistrik, medan magnet, serta analisis kimia. Dalam daerah tertentu, serat optik telah membuat dampak yang signifikan. Untuk aplikasi sensor serat optik dibuat lebih peka dan sensitif terhadap mekanisme eksternal yang sama dibanding dengan serat yang dibuat kebal untuk operasi yang efektif dalam telekomunikasi (Gholamzadeh,2008 ). Struktur umum dari sistem serat optik sebagai sensor ditunjukkan pada Gambar 2.6 yang terdiri dari sumber cahaya (Laser, LED (Light Emited Diodes), Laser Diodes), serat optik, elemen sensing atau elemen modulator, detector cahaya, dan proses elektronik (osiloskop, analyzer spectrum cahaya). (Fidanboylu, 2009) Berdasarkan proses modulasi dan demodulasi sebuah sensor dapat disebut sebagai intensitas (amplitudo), fase, sebuah frekuensi, atau sensor polarisasi, yang terakhir juga disebut sebagai sensor interferometric (Gholamzadeh,2008 ).

commit to user



Gambar 2.6. Komponen dasar dari sistem sensor serat optik (Fidanboylu, 2009). Banyak keuntungan dirasakan ketika serat optik digunakan sebagai sensor, sehingga penelitian semakin sering dikembangkan untuk meningkatkan jenis dari sensor tersebut. Sensor Serat optik dapat dikelompokkan berdasarkan dua kategori (Fidanboylu, 2009), yaitu; 1. Berdasarkan lokasi sensor Pembagian jenis sensor berdasarkan pembagian lokasi sensor dapat dibagi menjadi dua macam ( Gambar 2.7 ),yaitu : a. Intrinsik sensor Serat optik sebagai sensor intrinsik terjadi ketika satu atau lebih sifat fisik dari yang dialami serat berubah. Gangguan yang terjadi menyebabkan perubahan karakteristik cahaya yang terjadi di dalam serat. b. Ekstrinsik sensor Sensor serat pada jenis ini biasa digunakan untuk membawa cahaya dari atau menuju alat optik eksternal dimana pengukuran diambil. Pada kasus ini, serat optik bekerja jika mendapat cahaya dari daerah pengukuran. Sensor serat optik dapat berupa salah satu yang intrinsik jika modulasi itu terjadi langsung dalam serat atau ekstrinsik, jika modulasi dilakukan oleh beberapa transduser eksternal.

commit to user



Gambar 2.7. Jenis sensor serat optik ekstrinsik dan intrinsik (Fidanboylu, 2009)

2. Prinsip operasi sensor Berdasarkan prinsip kerja dari proses modulasi atau demodulasi, sensor serat optik dapat diklasifikasikan berdasarkan intensitas, phase, frekuensi atau polarisasi sensor. Semua parameter merupakan subjek untuk merubah gangguan eksternal. Sehingga, dengan mendeteksi parameter tersebut dan perubahan yang terjadi, maka gangguan dari luar dapat diukur. Sensor Serat optik dapat dikelompokkan berdasarkan tiga klasifikasi, yaitu; a. Sensor serat optik berdasarkan intensitas Sensor serat optik tipe intrinsik yang berdasarkan modulasi. Gambar 2.8 menunjukkan sensor vibrasi yang terdiri dari dua serat optik. Cahaya masuk ke salah satu serat optik, ketika cahaya itu keluar dan diterima serat optik yang lain akan terbentuk sudut-sudut yang berbeda dari pantulan cahaya tersebut.

Gambar commit to 2.8. user Sensor serat optik tipe intrinsik yang berdasarkan modulasi (Gholamzadeh,2008 )



Untuk sensor normalisasi modulasi indek ( m ), dapat didefinisikan sebagai berikut (Gholamzadeh,2008 ): ( 2.12 ) Dimana I = hasil modulasi dari serat optik, I0 = intensitas relatif hasil modulasi dari detector, dan P = gangguan-gangguan yang terjadi. Sensor Serat optik berdasarkan Intensitas juga dapat dihubungkan dengan beberapa sinyal yang hilang. Alat ini dibuat dengan menggunakan perlengkapan untuk mengubah sesuatu besaran menjadi suatu besaran yang diukur bahwa fiber mengalami bending dan menyebabkan attenuasi sinyal. Cara lain untuk melakukan attenuasi pada sinyal yaitu dengan melakukan proses absorpsi atau scattering. Dengan mengamati perubahan intensitas, perubahan intensitas dapat terjadi akibat mikrobending serat optik. Pendeteksian mikro bending dapat menggunakan OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) sehingga dapat diketahui posisi terjadinya bending pada serat optik. b. Sensor serat optik berdasarkan modulasi panjang gelombang Sensor modulasi panjang gelombang menggunakan perubahan panjang gelombang atau cahaya untuk dideteksi. Contoh dari sensor modulasi panjang gelombang yaitu; Sensor Fluorescens, sensor benda hitam, dan brag gratting. c. Sensor Serat optik berdasarkan modulasi phase Sensor ini menggunakan phasa yang berubah untuk mendeteksi cahaya. Perubahan phasa dideteksi secara interferometer dan methode yang digunakan untuk pendeteksian secara interferometer ini yaitu; Mach-Zehnder, Michelson, Fabry- Perot, Sagnac, polarimetric, and grating interferometers (Widyana, 2010).

2.8. Molaritas Konsentrasi suatu larutan akan berpengaruh secara proporsional terhadap sudut refraksi. Dengan arti bahwa jika larutan yang dicari indeks biasnya sama, tetapi konsentrasinya berbeda, maka akan diperoleh hubungan bahwa semakin besar konsentrasi, maka semakin commit besar pula indeks biasnya. Indeks bias suatu zat to user



cair pada suatu panjang gelombang tertentu sangat dipengaruhi oleh apa yang terkandung dalam zat tersebut. (Abdul, 2010) Molaritas adalah satuan konsentrasi larutan untuk menyatakan jumlah mol zat terlarut per liter larutan, dilambangkan dengan M (Y.Sunarya,2000). Secara matematis dapat diungkapkan dengan persamaan : Konsentrasi molar (M) =

=

(2.13)

Dimana m = massa suatu zat, Mr = massa relatif suatu zat dan V = volume. Molar refractivity, A adalah ukuran dari total polarisabilitas dari satu mol suatu zat, A tergantung pada temperatur, indeks bias , dan tekanan. Molar refractivity didefinisikan sebagai (2.14) Dimana NA

6,022 × 1023 adalah konstanta Avogadro dan α adalah rata-rata

polarisabilitas molekul. Menggantikan molar refractivity ke Lorentz-Lorenz memberikan rumus : (2.15) dimana N adalah jumlah molekul per satuan volume dan n adalah indeks bias, rasio N

A

/ N adalah volume molar V m.. Persamaan Lorentz-Lorenz, juga dikenal

sebagai hubungan Clausius-Mossotti

dan rumus Maxwell, menghubungkan

indeks bias sebuah zat dengan molar refractivity. Untuk hukum gas ideal untuk 1 mol memberikan (2.16) dimana R adalah konstanta gas universal , T adalah temperatur absolut , dan p adalah tekanan. Kemudian molar refractivity adalah (2.17) Untuk gas, n2 1, Sehingga molar refractivity dapat didekati dengan commit to user



(2.18) Dalam SI, R memiliki satuan J mol

-1

K -1, T memiliki satuan K, n tidak memiliki

satuan, dan p memiliki satuan Pa, sehingga satuan dari A adalah m 3 mol -1. Rumus kerapatan atau densitas larutan sebagai berikut : (2.19) Dimana V = volume larutan pada suhu T memiliki rumus Vo(1+ γ ΔT) dimasukkan pada persamaan (2.20) maka akan terlihat pengaruh hubungan suhu pada A, n dan V. Dalam hal kerapatan , ρ = berat jenis , m = massa dan dapat ditunjukkan bahwa: (2.20) , sehingga didapatkan (2.21)

2.9. Hubungan Intensitas Cahaya terhadap Tegangan Photodioda Detektor cahaya, secara khusus photodiode, dapat dipandang sebagai inverse dari light emitting diode (LED). Disini memadukan ke peranti adalah daya optik dan keluaran dari peranti berupa sinyal listrik. Prinsip operasi dari photodiode ini merupakan fenomena fisika sebagaimana yang terjadi pada LED. Detektor cahaya menyerap foton cahaya yang mempunyai energi E=hv , dimana h merupakan konstanta planck lalu menghasilkan elektron, yaitu elektron yang dapat menghasilkan arus listrik. Untuk mendapatkan hasil yang optimum penggunaan photodiode sebagai transducer, secara khusus untuk aplikasi sistem komunikasi optik. Intensitas cahaya merupakan, (2.22) Dimana intensitas cahaya juga dapat didefinisikan sebagai energi persatuan waktu persatuan luas atau daya persatuan luas. Daya dihubungkan dengan daya listrik yaitu :

commit to user



P=V×i

(2.23)

Dimana i merupakan kuat arus dan terdapat hubungan yaitu : (2.24) Dari persamaan (2.24) maka dapat diketahui bahwa intensitas ≈ tegangan yang ditimbulkan oleh photodiode. Photodiode merupakan alat yang digunakan untuk mengubah energi foton menjadi energi listrik.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Optika dan Photonika Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta dan UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Biologi Universitas Sebelas Maret. Jangka waktu pelaksanaan dari penelitian ini adalah dari bulan Agustus sampai Desember 2011.

3.2. Alat dan Bahan 3.2.1. Alat Adapun peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1.

Seperangkat alat penyangga sensor serat optik

2.

LED ( λ = 630 nm )

3.

Mikrometer Skrup

4.

Cermin

5.

Detektor

6.

Osiloskop Yokogawa DL1520

7.

Neraca GM-300 P

8.

Refraktometer Abbe OSK 6528

9.

Gelas beker 250 ml

10.

Corong

11.

Pengaduk ( spatula )

12.

Konektor (untuk menghubungkan serat optik dengan detektor)

13.

Carter/silet

3.2.2. Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1)

Serat Optik Multimode (diameter 2,54 mm) tipe SOF-3 warna tranparant dari Halance Cina

2)

Aquades

3)

Gula pasir

commit to user

20



4)

Garam

5)

Pegas

6)

Lak ban atau double tape

7)

Acrylic

8)

Lem Alteko

9)

Tissue Beberapa alat-alat yang digunakan untuk penelitian ini ditunjukkan pada

Gambar 3.1 :

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f) Gambar 3.1.

(a) Oscilloscope, (b) Detektor, (c) Sumber cahaya, (d) Seperangkat alat commit to user penyangga sensor serat optik, (e) neraca, dan (f) refraktometer abbe.



Beberapa bahan-bahan yang digunakan untuk penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.2 :

(a)

(b)

(c)

Gambar 3.2. a) Gula pasir, (b) Garam, dan (c) Aquades.

3.3. Prosedur dan Pengumpulan Data Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.3:

Persiapan alat dan bahan

Perancangan Alat dan Pembuatan alat Pembuatan larutan

Pengambilan data

Analisa

Kesimpulan commit to user Gambar 3.3. Prosedur Penelitian



Prinsip kerja yang dilakukan dalam penelitian ini adalah melakukan pergeseran mikro pada dua buah serat optik yang diposisikan sejajar dan berhadapan dengan cermin sebagai pemantul sumber cahaya, dimana orde pergeseran yang dilakukan adalah mikrometer. Sumber cahaya yang digunakan sinar LED dengan panjang gelombang 630 nm.

3.4. Persiapan Alat dan Bahan Kegiatan penelitian diawali dengan mengumpulkan alat-alat yang akan digunakan dalam penelitian ini. Diantaranya: Osilloscope Yokogawa DL1520, detektor, acrylic, mikrometer skrup, neraca, corong, dan gelas beker. Alat-alat tersebut semuanya ada di Laboratorium Optika dan Photonika Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta dan untuk refraktometer terdapat di UPT Laboratorium Pusat MIPA Sub Lab Fisika Universitas Sebelas Maret. Sedangkan untuk seperangkat alat penyangga sensor serat optik, LED, cermin, pegaduk, carter/silet, dan konektor diusahakan dari luar. Persiapan bahan dilakukan dengan mengumpulkan bahan-bahan yang akan digunakan dalam penelitian ini. Diantaranya: Serat Optik polimer jenis type SOF-3 warna tranparant dari Halance Cina, gula pasir, garam, Tissue, aquades, Lak ban atau double tape, Lem Alteko, Pegas, Acrylic, Nylon cable tie, dan Tissue. Semua bahan dapat dibeli di toko terdekat, kecuali serat optik jenis polimer sudah tersedia di Laboratorium Optika dan Photonika Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3.5. Set up alat Set up alat desain sensor serat optik untuk pengukuran indeks bias larutan garam dan larutan gula dibagi menjadi beberapa bagian, bagian pertama yaitu membuat Seperangkat alat penyangga sensor serat optik dan mikrometer skrup sebagai perubah posisi jarak antara cermin dan serat optik, bagian kedua pembuatan sumber cahaya dengan yang berbentuk kotak yang didalamnya terdapat LED yang sudah dirangkai dengan adaptor, resistor dan saklar yang commit user dan bagian ketiga, menset-up alat langsung dapat dihubungkan dengan arus to listrik,



di meja yang digunakan untuk menempatkan alat-alat optik supaya aman dari gerakan-gerakan agar tidak terjadi perubahan posisi alat-alat optik tersebut saat dilakukan penelitian. Di laboratorium Optik telah tersedia meja besar yang dapat meredam getaran-getaran yang akan digunakan untuk mengambil data. Susunan peralatan pada penelitian dapat dilihat pada gambar 3.4. Larutan garam atau gula dengan konsentrasi tertentu dimasukkan ke dalam gelas beker. Kemudian dua serat optik dimasukkan kedalam gelas beker yang berisi larutan dan didalamnya sudah terdapat cermin, cermin berfungsi untuk memantulkan cahaya dari transmitter ke receiver. Dua serat optik tersebut berfungsi sebagai transmitter (pemancar) dan sebagai receiver (penerima). Sumber cahaya yang digunakan adalah LED, dimana LED tersebut ditempatkan pada suatu kotak yang dibagian tepinya terdapat dua lubang, yaitu yang satu untuk cahaya serat optik transmitter dan yang lain untuk cahaya serat optik referensi. Detektor berfungsi untuk mengetahui intensitas cahaya. Pada penelitian digunakan dua detektor, yaitu berfungsi mengetahui intensitas cahaya yang keluar dari serat optik referensi dan intensitas cahaya yang dikeluarkan oleh serat optik receiver.

Sumber tegangan

Gambar 3.4. Perancangan alat penelitian commit to user



3.6. Pengambilan Data Setelah set up alat dirangkai, hal berikutnya yang dilakukan adalah pemfokusan cahaya untuk memaksimalkan cahaya yang masuk dalam serat optik, langkah ini dikendalikan pada pemasangan serat optik pada sumber cahaya dan posisi detektor. Sebelum pengambilan data dilakukan memastikan kedua serat optik berada pada posisi sejajar dan tegak lurus terhadap cermin. Kemudian dilakukan pembuatan larutan gula dan garam dengan konsentrasi 1 molar, 2 molar, 3 molar, 4 molar, dan 5 molar. Setelah itu dilakukan pengambilan data hubungan antara pergeseran mikro dan intensitas cahaya menggunakan mikrometer skrup dengan perlakuan pergeseran sebesar 0.2 mm. Hal ini dilakukan untuk menentukan jarak kerja sensor dengan batasan pergeseran maksimal 1 cm. Setelah dilakukan penentuan jarak kerja sensor, selanjutnya dilakukan pengambilan data hubungan antara konsentrasi larutan dengan intensitas cahaya. Dimana data intensitas yang dibaca oscilloscope terbaca dalam bentuk tegangan puncak-puncak, selanjutnya dilakukan pencatatan data dari variasi-variasi diatas. Pada saat akan dilakukan pergeseran akan mempunyai tegangan tertentu yang disebut sebagai tegangan mula-mula sebelum pergeseran (Vo). Setelah dilakukan pergeseran maka akan terjadi perubahan tegangan sehingga menjadi tegangan tertentu (Vi). Dengan variasi pergeseran sebesar 0.2 mm akan diperoleh data tegangan yang cukup banyak, dari sumber cahaya yang sama. Dengan sumber cahaya yang sama juga didapat (Vr) berfungsi untuk tegangan pembanding. Dari data tegangan tertentu (Vi) dan tegangan pembanding (Vr), maka akan didapat tegangan (V ) yang didapat dari (Vi / Vr) .Pada penelitian ini didapat dua sumber intensitas cahaya sebelum dilewatkan pada transmitter dan setelah dilewatkan transmitter dikarenakan pada proses pemantulan dan pembiasan, cahaya dapat terpolarisasi sebagian atau seluruhnya oleh refleksi. Perbandingan intensitas cahaya yang dipantulkan dengan cahaya yang datang disebut reflektansi (R), sedangkan perbandingan intensitas cahaya yang ditransmisikan dengan cahaya datang disebut transmitansi (T). Fresnel menyelidiki dan merumuskan suatu persamaan koefisien commit to user



refleksi dan koefisien transmisi yang dihasilkan oleh pemantulan dan pembiasan(Pedrotti dan Pedrotti, 1993). Jenis polarisasi dengan medan listrik E tegak lurus bidang datang dan medan magnet B sejajar bidang datang disebut transverse electric (TE). Sebaliknya jika medanlistrik E sejajar bidang datang maka jenis polarisasi ini disebut transverse magnetic (TM). Transmitansi dari penelitian dapat dicari dengan membandingkan intensitas sinar laser setelah melalui bahan (It) dengan intensitas sinar laser sebelum mengenai bahan (I0). (3.1) sedangkan Reflektansi (R) didefinisikan sebagai perbandingan antara intensitas pemantulan dengan intensitas sumber yang dapat ditulis: (3.2) Data penelitian dapat diolah melalui metode grafik yaitu grafik pertama berupa hubungan antara pergeseran jarak dan tegangan (V ) dengan variasi konsentrasi tertentu, grafik kedua berhubungan dengan kemiringan kurva pada grafik pertama, serta grafik ketiga hubungan antara indeks bias dengan posisi puncak. Dari grafik yang dihasilkan dapat diketahui bahwa grafik hubungan antara pergeseran jarak dan tegangan puncak-puncak mempunyai tren eksponensial. Hal ini berarti pergeseran pada serat optik akan mempengaruhi tegangan yang dihasilkan, kedua hal ini saling berhubungan. Penurunan tegangan puncak-puncak (Vp-p) merupakan penurunan intensitas cahaya yang diterima oleh detektor, penurunan intensitas cahaya karena pergeseran disebabkan hasil cahaya yang dipantulkan oleh cermin pada jarak tertentu ada yang dapat ditangkap secara maksimal dan ada yang tidak dapat ditangkap secara maksimal oleh serat optik receiver. Cahaya yang berasal dari transmitter jatuh pada cermin berbentuk kerucut, lalu cahaya dipantulkan kembali dalam bentuk kerucut cahaya yang lebih luas. Diameter kerucut tergantung pada indeks bias (n) dari medium (cair) dan pergeseran jarak antara serat optik dengan cermin.Penelitian ini akan dipengaruhi pula oleh beberapa faktor, yaitu : commit to user



1. Gerakan/getaran saat penelitian. Gerakan yang cukup besar akan mempengaruhi terhadap fokus sinar LED yang masuk ke dalam serat optik. Gerakan yang mempengaruhi getaran pada meja penopang penelitian akan mengakibatkan sinyal yang tampak pada oscilloscope tidak dapat tenang atau terjadi gelombang berjalan dengan puncak gelombang yang selalu berubah sehingga menimbulkan harga beda potensial yang mudah berubah. Pengambilan data harus dilakukan dengan hati-hati baik peneliti ataupun peserta lain yang berada disekitar proses penelitian, agar set up alat tidak terpengaruhi getaran. 2. Pemotongan serat optik. Untuk memotong serat optik digunakan silet kecil, tajam dan proses memotongnya harus tegak lurus menyilang terhadap posisi panjang serat, agar intinya tidak pecah, serta permukaan serat optik terpotong rata. Hal ini bertujuan agar sinar LED yang masuk maupun keluar dari serat optik mengalami pemantulan sempurna sesuai dengan sudut kritis yang telah diatur atau disesuaikan dengan posisi dari sumber sinar LEDnya. Sebelum digunakan untuk pengambilan data serat optik diamplas terlebih dahulu dengan menggunakan sedikit air agar permukaan serat optik benar-benar rata. 3.

Pengamatan terhadap posisi Tegangan maksimum dan saat kondisi gelombang berjalan dalam keadaan harganya stabil atau tidak terjadi loncatan harga yang dikarenakan kesalahan pengamatan agar mendapatkan sinyal yang diperlukan. Maka modal utama peneliti diantaranya kesabaran untuk menanti posisi sinyal saat naik pada keadaan maksimim dan selanjutnya akan turun ke harga yang lebih rendah. Pada saat inilah kita harus dengan cermat dan hati-hati menentukan harga tegangan yang akan dibaca. Jika ternyata telah lewat terhadap harga maksimum, maka harus mengulang keadaan yang sama disaaat terjadi kenaikan tegangan lagi. Selanjutnya pada posisi harga yang telah diharapkan. commit to user



Setelah semua data yang diperlukan selesai diambil dari penggunaan alat sensor serat optik, hal selanjutnya adalah mengambil data menggunakan refraktometer untuk mengetahui indek bias larutan dengan konsentrasi yang telah ditentukan.

3.7. Pengolahan dan Analisa Data Setelah mendapatkan data berupa nilai hubungan antara pergeseran dan tegangan puncak-puncak serta hubungan antara konsentrasi larutan tertentu dengan tegangan puncak-puncak. Selanjutnya data tersebut diolah dalam bentuk grafik untuk mengetahui tren grafik yang muncul. Pengolahan data dilakukan dengan memperhitungkan nilai-nilai puncak-puncak intensitas yang diperoleh dengan mencocokan grafik dengan hasil pengukuran dari refraktometer. Data yang diperoleh dalam bentuk grafik kemudian dianalisis tren grafik yang terbentuk. Grafik akan menunjukkan perubahan nilai tegangan puncak-puncak apabila mengalami kenaikan dan penurunan yang selanjutnya dilakukan perbandingan dengan perubahan jarak dan perubahan konsentrasi.

3.8. Simpulan Hasil analisa data secara lengkap disimpulkan untuk mengetahui hasil akhir penelitian. Kesimpulan mengacu pada tujuan penelitian.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Perancangan Sensor Fiber optik Sebagai Alat Ukur Indek Bias Penelitian ini bertujuan untuk mendesain sensor serat optik yang ditunjukkan untuk mengukur indeks bias suatu larutan garam dan larutan gula. Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah satu set alat pengukuran indeks bias suatu larutan menggunakan sensor serat optik yang telah dirangkai seperti pada Gambar (4.1). Serat optik yang digunakan adalah serat optik jenis multimode yang berdiameter 2,54 mm karena serat optik jenis multimode mempunyai ukuran core yang lebih besar dibandingkan dengan single mode sehingga sinar yang merambat didalamnya akan terpantul berulang kali oleh dinding cladding.

Gambar 4.1. Set alat pengukuran indeks bias suatu larutan menggunakan sensor serat optik.

Berdasarkan teori yang diketahui bahwa berkas cahaya LED akan bertambah dan berkurang apabila cermin sebagai pemantul digeser menjauhi serat optik, sehingga dilakukan variasi pergeseran antara serat optik dan cermin. Variasi jarak yang dilakukan adalah pada jarak 0–1 cm, dengan desain serat optik transmitter dan receiver sejajar dan berhadapan tegak lurus terhadap cermin. commit to user Dimana fungsi cermin sebagai pemantul cahaya yang ditransmisikan oleh serat 29



optik transmitter dan hasil pantulan dari cermin ditangkap oleh serat optik receiver, intensitas cahaya yang ditangkap oleh serat optik receiver selanjutnya masuk kedalam photodetector yang dalam penelitian ini diterjemahkan oleh oscillosscope sebagai tegangan puncak-puncak (mV). Indeks bias suatu larutan tergantung dari konsentrasi suatu larutan, semakin besar konsentrasi larutan maka indeks biasnya juga semakin besar. Pada penelitian ini pada jarak tertentu akan didapatkan tegangan puncak maksimum, dimana jarak yang terdapat nilai tegangan puncak maksimum merupakan nilai indeks bias konsentrasi larutan. Pengaruh jarak dengan hasil pantulan cahaya dari cermin berpengaruh terhadap nilai intensitas yang ditangkap oleh serat optik, faktor yang menyebabkan terjadinya perubahan kemampuan serat optik untuk menangkap cahaya adalah nilai Numerical Aperture atau sudut penerimaan cahaya pada serat optik. Selain itu, karena serat optik yang digunakan pada penelitian ini memiliki diameter yang besar yaitu 2,54 mm sehingga memiliki nilai numerical aperture yang besar, hal ini dapat diilustrasikan pada Gambar (4.2).

Gambar 4.2. Ilustrasi cahaya yang dipantulkan cermin dan diterima oleh serat optik receiver.

4.1.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan Setelah dilakukan daerah kerja sensor selanjutnya dilakukan pengambilan data perbandingan antara konsentrasi larutan dan tegangan. Larutan yang digunakan pada penelitian ini adalah larutan garam dan larutan gula. Pada larutan yang berbeda konsentrasi baik larutan garam ataupun larutan gula, akan menunjukkan nilai tegangan puncak-puncak (Vp-p) maksimum pada jarak yang commit to user



berbeda-beda. Berikut hasil nilai penelitian pergeseran dengan perubahan nilai intensitas cahaya pada larutan garam pada grafik Gambar (4.3) dan larutan gula pada Gambar (4.4). dengan banyak pengulangan dan pada grafik diambil 3 data. Dapat dilihat pada larutan yang sama akan mempunyai posisi puncak yang relatif sama. Gambar (4.3) dan Gambar (4.4) adalah hasil eksperimen yang menunjukkan hubungan antara perubahan jarak dan intensitas cahaya yang ditangkap detektor akibat perubahan pergeseran posisi setiap 0.2

antara ujung

serat optik transmitter serta receiver dengan cermin yang terposisikan tegak lurus. Pada grafik dilakukan normalisasi untuk mengetahui hubungan antara sumbu x dengan sumbu y dan mengetahui gradien yang didapat pada tiap pengulangan relative sama atau tidak. Dari keseluruhan Gambar (4.3) dan Gambar (4.4) memberikan informasi dimana nilai intensitas cahaya bertambah apabila jarak titik ukur dari sumbernya membesar, hal ini ditunjukkan grafik mengalami tren kenaikan nilai tegangan puncak-puncak yang terukur akibat pergeseran cermin setiap 0.2 mm. Kenaikan tegangan puncak-puncak pada jarak tersebut dikarenakan hasil pantulan cahaya oleh cermin masih dapat ditangkap secara maksimal oleh serat optik receiver. Setelah mencapai tegangan maksimum terlihat grafik mengalami perubahan tren grafik untuk nilai tegangan yang ditangkap oleh serat optik receiver, pada jarak tersebut serat optik receiver tidak mampu menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari cermin, sehingga terjadi penurunan

tegangan.

Penurunan

ini

disebabkan

kerapatan

daya

untuk

meningkatkan di bidang transmisi serat kerucut dan hukum kuadrat terbalik. Jarak puncak-puncak larutan gula dibanding larutan garam lebih besar.

commit to user



(a) 1 molar

(b)2molar

(c) 3 molar

(d)4molar

(e) 5 molar

Gambar 4.3. Grafik hubungan antara pergeseran jarak dengan tegangan puncak-puncak pada larutan garam. commit to user



(b) 2 molar (a) 1 molar

(c) 3 molar

(d) 4 molar

(e) 5 molar

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara pergeseran jaraktodengan commit user tegangan puncak-puncak pada larutan gula.



Sebelumnya diketahui pada larutan yang sama mempunyai posisi puncak yang relatif sama dan dapat dilihat pada Gambar (4.5) bahwa larutan yang sama dengan konsentrasi yang berbeda mempunyai posisi puncak yang berbeda.

( a ) Larutan garam

( b ) Larutan gula Gambar 4.5. Hubungan jarak pergeseran dengan konsentrasi larutan yang berbeda commit to user



Tabel (4.1) adalah posisi puncak dari grafik pada Gambar (4.3) sedangkan posisi puncak dari Gambar (4.4) diketahui oleh Tabel (4.2) :

Tabel 4.1. Posisi puncak dari larutan garam dengan variasi konsentrasi d (mm) puncak 3

Δd

Konsentrasi ( M )

puncak 1

puncak 2

1

5,8

5,8

5,8

5,8

0

2

6,2

6,2

6,4

6,3

±0,12

3

6,4

6,4

6,6

6,5

±0,12

4

6,6

6,6

6,6

6,6

0

5

6,6

6,8

6,8

6,7

±0,12

puncak rata-rata

Tabel 4.2. Posisi puncak dari larutan gula dengan variasi konsentrasi. d (mm) puncak puncak 2 3

Δd

konsentrasi ( M )

puncak 1

1

6,6

6,6

6,6

6,6

0

2

7

7

7

7

0

3

7,4

7,4

7,4

7,4

0

4

7,6

7,6

7,6

7,6

0

5

7,8

7,8

7,8

7,8

0

puncak rata-rata

Pada Tabel (4.1). dan Tabel (4.2) dapat dilihat setiap larutan mempunyai puncak atau peak yang berbeda-beda, hal ini menunjukkan indeks bias suatu larutan juga berbeda-beda. Semakin besar konsentrasi suatu larutan, jarak puncaknya juga semakin besar, hal ini menunjukkan konsentrasi larutan juga akan mempengaruhi posisi puncak dari setiap larutan. Pada pengambilan data penelitian ini, setiap konsentrasi larutan dilakukan banyak pengulangan lalu diambil 3 data dan dapat dilihat nilai puncak atau peak dari pengulangan kesatu sampai dengan pengulangan ketiga, hasil yang didapat tidak terlalu jauh berbeda, dari ketiga data puncak atau peak tersebut lalu dirata-rata sehingga didapatkan commit to user nilai satu puncak atau peak saja.



Bentuk grafik yang dihasilkan pada penelitian dapat dijelaskan dengan pemodelan pada Gambar (4.6) dan bentuk grafik dipengaruhi sudut tertentu yang mempengaruhi intensitas cahaya yang diterima receiver. Pada pemodelan dibuat variasi sudut yang berbeda, hal ini dikarenakan intensitas cahaya yang keluar dari serat optik transmitter membentuk sudut yang berbeda-beda ketika intensitas cahaya memasuki serat optik receiver.

Gambar 4.6. Pemodelan pengaruh pergeseran jarak terhadap intensitas.

Tabel 4.3. Pemodelan intensitas cahaya yang diterima serat optik receiver d (mm)

Nout

Nin

Nin

Nin

Ntot

0

26

25

0

30

0

40

0

0

2

26

25

6

30

4

40

8

18

4

26

25

14

30

18

40

24

56

6

26

25

22

30

26

40

20

68

8

26

25

20

30

16

40

7

43

10

26

25

14

30

8

40

4

26

Dari Tabel (4.3) maka dapat dibuat grafik hubungan antara d dengan Ntot commit to user pada Gambar (4.7), dimana hasil grafik sesuai dengan grafik hasil penelitian



ketika grafik mengalami kenaikan, grafik pada kondisi maksimum dan grafik ketika mengalami penurunan.

Gambar 4.7. Hasil pemodelan pengaruh pergeseran terhadap intensitas

4.1.2. Kemiringan kurva Pada Gambar (4.3) dan Gambar (4.4) dilakukan penghitungan nilai kemiringan kurva pada slope kiri dan slope kanan. kemiringan kurva dari larutan garam dapat dilihat pada Lampiran 1 dan larutan gula pada Lampiran 2, grafik yang menunjukkan kemiringan kurva dari masing-masing diketahui pada Gambar (4.8) dan Gambar (4.9). Hasil kemiringan kurva dapat diketahui pada Tabel (4.4) dan Tabel (4.5). Dapat dilihat dari Lampiran 1 dan Tabel (4.4). bahwa tingkat kemiringan kurva suatu grafik hasil eksperimen menunjukkan tingkat sensitivitas suatu sensor, terlihat dari keseluruhan Tabel (4.4) maka untuk kemiringan kurva pada slope kiri tingkat sensitivitasnya lebih besar dari kemiringan kurva pada slope kanan. Dari nilai pada Tabel (4.4). kemiringan kurva pada slope kiri dikatakan lebih sensitive daripada kemiringan kurva pada slope kanan. Nilai sensitivitas ditunjukkan untuk menghasilkan daerah kerja desain sensor serat optik pada alat ukur indek bias. Dapat dilihat dari Lampiran 2 dan Tabel (4.5). bahwa tingkat kemiringan kurva suatu grafik hasil eksperimen menunjukkan tingkat sensitivitas suatu commit to user sensor, terlihat dari keseluruhan Tabel (4.5) maka untuk kemiringan kurva pada



slope kiri tingkat sensitivitasnya lebih besar dari kemiringan kurva pada slope kanan. Dari nilai pada Tabel (4.5). kemiringan kurva pada slope kiri dikatakan lebih sensitive daripada kemiringan kurva pada slope kanan. Hasil tren grafik dari larutan gula tidak jauh berbeda dari larutan garam. Nilai sensitivitas ditunjukkan untuk menghasilkan daerah kerja desain sensor serat optik pada alat ukur indeks.

(b) Slope kanan

(a) Slope kiri

Gambar 4.8 Contoh kemiringan kurva pada larutan garam 1 molar.

(a) Slope kiri

(b) Slope kanan

Gambar 4.9 Contoh kemiringan kurva pada larutan garam 1 molar. commit to user



Tabel 4.4. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan tegangan pada larutan garam. 1.

Slope kiri

Konsentrasi

Ulang 1

Ulang 2

Ulang 3

m1

m2

m3

1

0,010

0,009

0,009

0,0093

0,0006

2

0,008

0,009

0,011

0,0093

0,0015

3

0,009

0,011

0,009

0,0097

0,0012

4

0,009

0,012

0,011

0,0107

0,0015

5

0,011

0,014

0,014

0,0130

0,0017

2.

Slope kanan Ulang 1

Ulang 2

Ulang 3

m1

m2

m3

1

-0,004

-0,006

-0,007

-0,0057

0,0140

2

-0,010

-0,009

-0,006

-0,0083

0,0205

3

-0,008

-0,008

-0,008

-0,0080

0,0196

4

-0,009

-0,009

-0,009

-0,0090

0,0220

5

-0,015

-0,014

-0,015

-0,0147

0,0006

Δm

(M)

Konsentrasi (M)

Δm

Dari ketiga pengulangan pengambilan data lalu dirata-rata sehingga didapatkan

± Δm. Pada larutan garam, saat konsentrasi 1 molar didapatkan

nilai rata-rata pada slope kiri sebesar 0,0093 ± 0,0006 dan pada slope kanan sebesar -0,0057 ± 0,0140 , konsentrasi 2 molar nilai pada slope kiri 0,0093 ± 0,0015 dan pada slope kanan -0.0083 ± 0,0205 , konsentrasi 3 molar nilai pada slope kiri 0,0097 ± 0,0012 dan pada slope kanan -0,0080 ± 0,0196 ,konsentrasi 4 molar nilai pada slope kiri 0,0107 ± 0,0015 dan pada slope kanan -0,0090 ± 0,0220 , serta konsentrasi 5 molar nilai pada slope kiri 0,0130 ± 0,0017 dan pada slope kanan -0,0147 ± 0,0006 .

commit to user



Tabel 4.5. Kemiringan kurva hubungan antara jarak pergeseran dan tegangan pada larutan gula. 1.

Slope kiri

Konsentrasi

Ulang 1

Ulang 2

Ulang 3

m1

m2

m3

1

0,007

0,006

0,006

0,0063

0,0006

2

0,005

0,004

0,005

0,0047

0,0006

3

0,012

0,011

0,009

0,0107

0,0015

4

0,015

0,015

0,013

0,0143

0,0012

5

0,036

0,031

0,029

0,0320

0,0036

Ulang 1

Ulang 2

Ulang 3

m1

m2

m3

1

-0,003

-0,003

-0,004

-0,0033

0,0081

2

-0,010

-0,006

-0,007

-0,0077

0,0189

3

-0,017

-0,019

-0,020

-0,0187

0,0457

4

-0,026

-0,027

-0,026

-0,0260

0,0006

5

-0,032

-0,033

-0,029

-0,0313

0,0021

(M)

Δm

2. Slope kanan Konsentrasi (M)

Δm

Pada larutan gula, saat konsentrasi 1 molar didapatkan nilai rata-rata pada slope kiri sebesar 0,0063 ± 0,0006 dan pada slope kanan sebesar -0,0033 ± 0,0081, konsentrasi 2 molar nilai pada slope kiri 0,0047 ± 0,0006 dan pada slope kanan -0,0077 ± 0,0189 , konsentrasi 3 molar nilai pada slope kiri 0,0107 ± 0,0015 dan pada slope kanan -0,0187 ± 0,0457, konsentrasi 4 molar nilai pada slope kiri 0,0143 ± 0,0012 dan pada slope kanan -0,0260 ± 0,0006 ,serta konsentrasi 5 molar nilai pada slope kiri 0,0320 ± 0,0036 dan pada slope kanan 0,0313 ± 0,0021 .

4.1.3. Range atau jangkauan Dari Gambar (4.3) dan Gambar (4.4), dapat diketahui range saat nilai tegangan naik sampai ke posisi puncak lalu mengalami penurunan ketika to user cermin. Tiap variasi konsentrasi dilakukan pergeseran antara seratcommit optik dengan



larutan yang berbeda mempunyai posisi puncak yang berbeda pula. Pada larutan garam (Gambar 4.3) dan larutan gula (Gambar 4.4) memberikan informasi dimana nilai intensitas cahaya bertambah apabila jarak titik ukur dari sumbernya membesar. Pada Gambar (4.3) bahwa saat konsentrasi 1 molar pada jarak pengukuran 0-5,8

grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran 5,8-10

mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 2 molar pada jarak pengukuran 0-6,2 6,2-10

grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran

mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 3 molar pada

jarak pengukuran 0-6,4 pengukuran 6,4-10

grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi

4 molar pada jarak pengukuran 0-6,6 jarak pengukuran 6,6-10

grafik mengalami tren kenaikan dan saat

mengalami perubahan tren penurunan grafik, serta

konsentrasi 5 molar pada jarak pengukuran 0-6,8 kenaikan dan saat jarak pengukuran 6,8-10

grafik mengalami tren mengalami perubahan tren

penurunan grafik. Pada Gambar (4.4) bahwa saat konsentrasi 1 molar pada jarak pengukuran 0-6,6

grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran 6,6-10

mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 2 molar pada jarak pengukuran 0-7 7-10

grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak pengukuran

mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi 3 molar pada

jarak pengukuran 0-7,4 pengukuran 7,4-10

grafik mengalami tren kenaikan dan saat jarak mengalami perubahan tren penurunan grafik, konsentrasi

4 molar pada jarak pengukuran 0-7,6 jarak pengukuran 7,6-10

grafik mengalami tren kenaikan dan saat

mengalami perubahan tren penurunan grafik, serta

konsentrasi 5 molar pada jarak pengukuran 0-7,8 kenaikan dan saat jarak pengukuran 7,8-10

grafik mengalami tren mengalami perubahan tren

penurunan grafik. Kenaikan tegangan puncak-puncak pada jarak tersebut dikarenakan hasil pantulan cahaya oleh cermin masih dapat ditangkap secara maksimal oleh serat commit to user optik receiver. Pada saat grafik mengalami perubahan tren penurunan grafik untuk



nilai tegangan yang ditangkap oleh serat optik receiver, pada jarak tersebut serat optik receiver tidak mampu menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari cermin, hal tersebut dapat dijelaskan pada Gambar (4.10). Dari Gambar (4.10) dapat digunakan untuk menjelaskan tren grafik pada penelitian ini, dimana ketika pengambilan data pada jarak seperti Gambar (4.10.a) tren grafik mengalami kenaikan sampai pada jarak maksimum Gambar (4.10.b) setelah itu akan mengalami tren penurunan grafik ketika pada jarak seperti Gambar (4.10.c).

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.10. Kemampuan Serat Optik Menangkap Intensitas (a) dan (c) serat optik receiver tidak mampu menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari cermin. (b) serat optik receiver mampu menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari cermin

4.2. Analisa 4.2.1. Pengaruh Pergeseran Terhadap Tegangan Perubahan nilai tegangan yang terjadi pada variasi pergeseran ini diakibatkan pada serat optik hanya dapat menangkap cahaya pada sudut-sudut tertentu ( i) yang dapat diterima dan ditransmisikan langsung oleh serat optik receiver. Pada Gambar (4.11). menjelaskan bahwa ada tiga jenis cahaya yang masuk ke dalam serat optik.

commit to user



Gambar 4.11. Bentuk transmisi sinar pada serat optik.

Garis biru memberikan ilustrasi cahaya yang masuk ke cladding (1), garis hijau memberikan ilustrasi cahaya yang masuk dengan sudut kritis (2) dan garis merah merupakan cahaya yang mengalir kedalam core (3). Sudut yang menuju kearah permukaan serat optik (nudara=1) tidak semua akan diteruskan, cahaya tidak dapat diterima apabila melebihi wilayah θmax karena cahaya yang masuk hasil pantulan memiliki sudut datang lebih besar dari θmax sehingga cahaya tersebut masuk namun tidak dapat berlanjut dan keluar serta ada yang sebagian sama sekali tidak masuk kedalam serat optik receiver. Pada penjelasan Gambar 4.2 memberikan informasi kondisi penerimaan cahaya serat optik receiver, pada pergeseran yang menghasilkan sudut pantul tertentu cahaya dapat maksimal. Cahaya yang diterima serat optik receiver dirubah menjadi nilai tegangan dimana proses perubahan tersebut terjadi karena LED dengan energi foton menumbuk semikonduktor yang ada dalam photodetector dan terjadilah peristiwa perubahan energi cahaya menjadi energi listrik, sehingga cahaya terbaca dalam bentuk tegangan puncak-puncak (mV). Selain faktor karakteristik perambatan cahaya, pemotongan ujung serat optik juga mempengaruhi keterimaan sinar ke dalam serat optik, akibat permukaan pemotongan tidak rata, mengakibatkan cahaya tidak masuk kedalam serat optik (Gambar 4.12). Berkas sinar A dapat masuk ke dalam inti serat optik karena sudut datang θ1 lebih kecil dari sudut kritis. Sedangkan berkas sinar B tidak bisa masuk ke dalam serat optik dan dipantulkan oleh permukaan serat karena sudut datang θ2 commit to user lebih besar dari sudut kritis.



Gambar 4.12. Cahaya yang tidak dapat masuk ke dalam inti serat optik karena kesalahan pemotongan. 4.2.2. Pengaruh Indek Bias Terhadap Tegangan Konsentrasi suatu larutan akan berpengaruh secara proporsional terhadap sudut refraksi. Dengan arti bahwa jika larutan yang dicari indeks biasnya sama, tetapi konsentrasinya berbeda, maka akan diperoleh hubungan bahwa semakin besar konsentrasi, maka semakin besar pula indeks biasnya. Indeks bias suatu zat cair pada suatu panjang gelombang tertentu sangat dipengaruhi oleh apa yang terkandung dalam zat tersebut (Abdul,2010). Konsentrasi suatu larutan juga mempengaruhi jarak yang terdapat tegangan maksimum, dimana pengukuran indeks bias suatu larutan menggunakan sensor serat optik dapat dilihat dari jarak pergeseran yang mempunyai nilai tegangan maksimum

atau

posisi

puncaknya.

Govindan,2009

pada

penelitiannya

menunjukkan bahwa posisi puncak intensitas cahaya tergantung pada indeks bias medium. Jadi dapat dikatakan nilai indeks bias dapat diketahui dari jarak yang mempunyai tegangan maksimun atau posisi puncak intensitas cahaya.

4.2.3. Pengaruh Suhu terhadap Hasil Penelitian Berdasarkan persamaan (2.21) pada dasar teori : diketahui bahwa indeks bias dipengaruhi juga oleh suhu. Pada penelitian ini ketika pengambilan data, suhu larutan berada pada 27oC, 28 oC dan 29 oC 4.2.4. Hubungan Indek Bias Terhadap Acuan Acuan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu data yang diperoleh dari pengukuran indeks bias menggunakan refraktometer abbe. Panjang gelombang (λ) commit to user



yang digunakan 630 nm. Indeks bias juga dipengaruhi oleh panjang gelombang yang berasal dari prinsip Huygens dan berdasar dari sifat dispersi cahaya karena masih dalam spectrum warna yang sama maka tidak terlalu mempengaruhi nilai indeks bias yang diambil. Indeks bias dapat diketahui dengan membandingkan pengukuran indeks bias pada refraktometer abbe. Gambar (4.13) merupakan hasil indeks bias pada larutan garam dan Gambar (4.14) hasil indeks bias pada larutan gula.

Gambar 4.13. Hubungan indeks bias dengan posisi puncak pada larutan garam. Tabel 4.6. Indeks bias larutan garam diambil pada λ= 630 nm Konsentrasi ( M)

indek bias

(mm)

1

1,347

5,8

1,5

1,350

6

2

1,354

6,3

2,5

1,358

6,4

3

1,360

6,5

4

1,369

6,6

1,374

6,7

5

commit to user



Pada Gambar (4.13) dan (4.14) agar grafik mempunyai linearitas yang cukup tinggi, pada penelitian ini menambahkan dua variasi konsentrasi larutan yaitu 1,5 molar dan 2,5 molar. Pada Gambar (4.13). terlihat grafik mempunyai kemiringan yaitu 0.028 dan mempunyai linearitas 86,8% dan dari Tabel (4.6) dapat diketahui nilai indeks bias pada larutan garam dengan variasi konsentrasi. Pada Gambar (4.14). terlihat grafik mempunyai kemiringan sebesar 0.047 dan mempunyai linearitas 98,7% dan dari Tabel (4.7) dapat diketahui nilai indeks bias pada larutan gula dengan variasi konsentrasi. Seperti telah diketahui linieritas merupakan ukuran lemah kuatnya hubungan antara tegangan puncak-puncak dengan pergeseran jarak. Apabila linieritas mendekati 100% maka semakin kuat hubungannya, sebaliknya jika linieritas mendekati 0% maka semakin kecil hubungannya. Dari Gambar (4.13) dan Gambar (4.14) terlihat bahwa nilai linieritas atau R dari masing-masing grafik dengan konsentrasi larutan yang berbeda lebih dari 85%, hal ini menunjukkan tingkat linieritas yang baik. Berikut merupakan hasil indeks bias pada larutan gula dapat dilihat pada Gambar 4.14.

Gambar 4.14. Hubungan indeks bias dengan posisi puncak pada larutan gula. commit to user



Tabel 4.7. Indeks bias larutan gula diambil pada λ= 630 nm konsentrasi (M)

indek bias

(mm)

1

1,357

6,6

1.5

1,368

6,8

2

1,377

7,0

2.5

1,385

7,2

3

1,390

7,4

4

1,405

7,6

5

1,416

7,8

Berkaitan dengan eksperimen yang dilakukan dalam penelitian ini, peneliti berasumsi bahwa terjadinya kekurangan-kekurangan seperti pada saat skala 0 mm masih terdapat nilai tegangan puncak-puncak pada layar osiloskop, bentuk tampilan grafik dari data-data yang diperoleh tidak halus dan lain sebagainya, disebabkan oleh banyak faktor ketika pelaksanaan penelitian, diantaranya pemotongan ujung serat optik untuk transmitter (input)

maupun serat optik

receiving output kurang tegak lurus sebagaimana yang diharapkan, kemudian pemasangan cermin pada setup alat pergeseran mikro juga kurang tegak lurus dikarenakan desain mekanik alat yang kurang maksimal, dan adanya sinar-sinar pengganggu seperti cahaya layar laptop dan cahaya layar oscilloscope yang kemungkinan ikut terdeteksi oleh photodetektor, detektor tidak dilakukan kalibrasi terlebih dahulu dan lain sebagainya. Kekurangan-kekurangan tersebut pada dasarnya muncul karena keterbatasan alat dan keterbatasan-keterbatasan lain yang ada dalam diri peneliti. Jika keterbatsan-keterbatasan tersebut dapat dihilangkan misalnya pemotongan serat optik menggunakan alat khusus, setup alat pergeseran mikro tidak dapat terganggu oleh cahaya luar, mengkalibrasi detektor terlebih dahulu dengan menggunakan dua serat optik yang mempunyai panjang sama dengan memasukkan sumber cahaya yang sama dan dihubungkan dengan osiloskop untuk mengatur agar nilai tegangan yang dihasilkan sama dan lain sebagainya maka hasil penelitian dalam penelitian ini tentu sesuai dengan commit to user yang diharapkan.


digilib.uns.ac.id

BAB V SIMPULAN DAN SARAN

5. 1. Simpulan Berdasarkan hasil penelitian desain sensor serat optik untuk pengukuran indeks bias larutan garam dan larutan gula dapat disimpulkan : 1. Pada sensor serat optik, indeks bias larutan garam dan larutan gula dapat diketahui dari jarak pergeseran yang mempunyai tegangan maksimum atau jarak posisi puncak tiap-tiap larutan. 2. Nilai dari indeks bias berbanding lurus dengan konsentrasi larutan, dimana pada penelitian ini semakin besar konsentrasi suatu larutan, jarak posisi puncaknya juga semakin besar. 3. Variasi jarak pergeseran menimbulkan perubahan nilai tegangan puncakpuncak, hal ini disebabkan karena terjadinya perubahan kemampuan serat optik untuk menangkap intensitas cahaya yang dipengaruhi oleh Numerical Aperture.

5. 2. Saran Beberapa saran untuk penelitian selanjutnya: 1. Pada penelitian selanjutnya sebaiknya sebelum melakukan penelitian, mengkalibrasi detektor yang akan digunakan dan pada saat pengambilan data dilakukan pada suhu larutan yang sama. 2. Mengembangkan alat sensor serat optik tanpa menggunakan variasi pergeseran.

commit to user

48


digilib.uns.ac.id

DAFTAR PUSTAKA Alonso, Marcelo. 1980. Fundamental university physics, 2nd edition. Erlangga. Jakarta. Banerjee, Argha., Mukherjee.S, Kumar.R and et all. 2007. Fiber optic sensing of liquid refractive index. Indian Institute of Technology Kanpur. India. Sensors and Actuators B 123 (2007) 594–605 Born, Max , and Wolf, Emil. 1999. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light (7th ed.), section 2.3.3. Cambridge University Press :ISBN 0-521-64222-1 Fidanboylu, K ,Efendioglu, H. S. 2009. 5th International Advanced Technologies Symposium (IATS’09). Karabuk. Turkey. May 13-15. Govindan, Gobi., S.Gokul Raj, D Sastikumar.2009. Measurement of refractive index of liquids using fiber optic displacement sensors. Marsland Press Journal of American Science 2009:5(2) 13-17 Keiser, G., 2000. Optical Fiber Communications. Third Edition. McGraw-Hill Companies, Inc:USA ISBN: 0-07-232101-6 Nanang A. 2011 . Fabrikasi Dan Karakterisasi Serat Optik Dengan Metode PreCasting. Universitas Sebelas Maret. Pedrotti, F. L. dan Pedrotti, L. S. 1993. Introduction to Optics. second edition. New Jersey. Prentice-Hall. Inc. Rambe, A. M. 2003. Penggunaan Serat Optik Plastik Sebagai Media Transmisi Untuk Alat Ukur Temperatur Jarak Jauh. Universitas Sumatera Utara Digital Library Tipler, Paul A. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Jakarta : Erlangga. Saleh, Rosari., L. Munisa, dan D. Marianty. 2003. Studi Karakterisasi Optis Lapisan Tipis a-SiC:H Hasil Deposisi Metode Glowdischarge. MAKARA, SAINS, VOL. 7, NO. 3. Sengupta, D., Sai Shankar,M., Saidi reddy,P., Sai prasad,R.L., and Srimannarayana, K. 2010. Performance of The Reflected Concentration Sensor Using Plastic Fibers. Department of Physics, National Institute of Technology. India. Waranagal-506 004. Singh, S. 2002. Refractive Index Measurement and it Applications. Physica commit to user Scripta. Vol. 65. Hal.167-180. 49



Sutiah, 2008. Studi Kualitas Minyak Goreng dengan Parameter Viskositas dan Indeks Bias (skripsi). Semarang: FMIPA. Universitas Diponegoro. Widyana. 2010.Perancangan Sensor Serat Optik Untuk Pengukuran Pergeseran Obyek Dalam Orde Mikrometer Menggunakan Serat Optik Multimode. Institut Teknologi Sepuluh November Digital Library Yunus, W. M.M., Y.W. Fen dan L.M. Yee. 2009. Refractive Index and Fourier Transform Infrared Spectra of Virgin Coconut Oil and Virgin Olive Oil. American Journal of Applied Sciences. Vol 6. No. 2. Hal. 328-331.

commit to user

DESAIN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN INDEKS BIAS LARUTAN GARAM DAN LARUTAN GULA

Recommend Documents