Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN 2502-5279 _______________________________________________________________________________________
FORMULASI MATEMATIS UNTUK PERANCANGAN SISTEM ALAT UKUR BEBAN KENDARAAN BERJALAN (WIM DEVICE) Rini Khamimatul Ula, Thomas Budi Waluyo, Dwi Hanto Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Kawasan PUSPIPTEK Gedung 440-442, Tangerang Selatan, 15314 E-mail:
[email protected]
ABSTRAK Kebutuhan masyarakat akan barang dan jasa yang terus meningkat, mengakibatkan bertambahnya jumlah kendaraan logistik sebagai pengguna jalan raya. Dengan kapasitas muatan yang melebihi standar aman, seringkali mengakibatkan kerusakan struktur jalan raya. Sehingga sering terjadi kecelakaan yang merenggut banyak korban. Untuk mencegah hal tersebut, maka diperlukan alat ukur kendaraan yang terpasang terus menerus di jalan raya. Sistem alat ukur kendaraan berjalan (Weight In Motion, WIM) merupakan sistem ukur yang tidak mengharuskan kendaraan memasuki area tertentu untuk melakukan penimbangan. Sehingga setiap saat dapat mendeteksi beban yang diangkut kendaraan berjalan. Sistem ini salah satunya terdiri dari sensor beban berbasis optik. Prinsip kerja sensor ini adalah jika serat optik berada dalam kondisi terjepit atau tertindih suatu beban (fiber bent) maka di dalam serat optik akan terjadi rugi-rugi (losses) dari intensitas cahaya yang merambat. Oleh karena itu metodologi yang dilakukan adalah dengan melakukan bending pada fiber optik. Untuk mendapatkan desain sensor beban yang optimum, dilakukan analisis matematis untuk menentukan jenis fiber optik yang akan digunakan sebagai sensor beban. Formulasi tersebut dibuat dengan melakukan analisis pengaruh moda fiber, nilai numerical aperture (NA), indeks bias core dan cladding fiber, modulus Young fiber serta panjang gelombang cahaya yang digunakan terhadap bending loss fiber. Sedangkan untuk menganalisis gaya yang diakibatkan tekanan roda depan dan belakang mengacu pada prinsip vehicle dynamic. Kata kunci: sensor optik, fiber bent,lossis, vehicle dynamic
PENDAHULUAN Kebutuhan masyarakat akan barang dan jasa yang terus meningkat, mengakibatkan bertambahnya jumlah kendaraan logistic yang menggunakan jalan raya. Keberadaan tempat penimbangan tidak sepenuhnya menjamin bahwa kendaraan berat akan mengukur beban muatan yang mereka angkut. Berdasarkan Undang-Undang RI Nomor 22 Tahun 2009 pasal 19, menyatakan bahwa beban maksimum suatu kendaraan adalah 8 ton. Dengan kapasitas muatan yang melebihi standar aman, seringkali mengakibatkan kerusakan struktur jalan raya sehingga sering terjadi kecelakaan yang merenggut banyak korban. Untuk mencegah hal tersebut, maka diperlukan alat ukur kendaraan yang terpasang terus menerus di jalan raya. Oleh karena itu, diperlukan telaah yang mengkaji prosedur pengukuran berat muatan. Sistem alat ukur kendaraan berjalan (WIM device) merupakan sistem ukur yang tidak mengharuskan kendaraan memasuki area tertentu untuk melakukan penimbangan. Sehingga setiap saat dapat mendeteksi beban yang diangkut kendaraan berjalan. Sistem alat ukur kendaraan berjalan terdiri dari sensor berat berbasis optik, timbangan, sensor kecepatan dan sensor percepatan. Pada penelitian ini difokuskan pada analisis matematis untuk desain sensor berat berbasis optik dan timbangan. Desain sensor berat berbasis optik memanfaatkan fenomena bending pada fiber optik. Sedangkan untuk menganalisis gaya yang
74 ________________________________________________________________________________________ Formulasi Matematis untuk Perancangan Sistem Alat Ukur Beban Kendaraan Berjalan (WIM Device). Rini Khamimatul Ula, dkk.
Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN 2502-5759 _______________________________________________________________________________________
diakibatkan tekanan roda depan dan belakang pada timbangan menggunakan konsep vehicle dynamic. Dari tinjauan secara matematis, diharapkan dapat menghasilkan desain sensor berat berbasis optik yang akurat sehingga mampu mendeteksi beban kendaraan walaupun kendaraan dalam kondisi berjalan secara real time. Packaging sensor yang mampu disisipkan dalam konstruksi bangunan jalan raya, memudahkan kendaraan mengukur beban muatan, tanpa harus memasuki rumah timbangan. Dengan pemasangan sensor berat tersebut diharapkan mampu meminimalkan kendaraan dengan jumlah beban yang melebihi batas aman sehingga memperkecil kerusakan jalan dan terjadinya kecelakaan.
TEORI DASAR WEIGHT IN MOTION (WIM) Sensor Berat Berbasis Optik Fiber optik adalah pandu gelombang dielektrik yang berbentuk silinder. Fiber optic terdiri dari core dan cladding, core sebagai pemandu dan cladding dengan indeks bias bahan lebih kecil dari pada core sebagai pelindung pada bagian luar. Berkas cahaya yang dirambatkan pada fiber optik akan terpandu jika sudut datang pada perbatasan core dan cladding lebih besar dari sudut kritis, θC [1].
æ n2 ö ÷÷ è n1 ø
q c = sin -1 çç
(1)
dengan n1 adalah indeks bias core fiber dan n2 adalah indeks bias cladding fiber. Indeks bias bahan core dan cladding mempengaruhi nilai numerical aperture (NA), yakni kemampuan suatu bahan untuk bergabung dengan cahaya di dalam fiber sehingga terjadi pandu gelombang. Sehingga setiap fiber optik memiliki nilai NA yang berbeda. Berdasarkan ukuran core, fiber optik dibedakan menjadi dua yaitu single mode, fiber optik dengan ukuran core kecil sedangkan fiber optik dengan core yang lebar digolongkan sebagai fiber optik multimode. Berdasarkan moda dispersinya dibedakan menjadi dua yakni fiber graded index dan step index. Pada umumnya fiber optik digunakan sebagai pemandu cahaya. Namun pada sensor fiber optik memanfaatkan sifat sensitif dari fiber untuk mengubah jumlah masukan sinyal optik yang termodulasi. Intensitas optik akan berubah jika ada faktor pengganggu dari luar sistem, misalnya temperatur, tekanan, percepatan, dan lain-lain. Pada makalah ini, fiber optik digunakan sebagai sensor berat dengan prinsip kerja berdasarkan konsep microbending seperti pada Gambar 1. Yakni serat fiber pada arah aksial mendapatkan gangguan berupa tekanan akibat beban yang diletakkan di atas deformer. Berdasarkan studi yang telah dilakukan Lagakos [5], jika fiber optik dibending pada arah aksiall terhadap sumbu optiknya, maka nilai perubahan koefisien transmisi dari cahaya yang merambat pada fiber yang dibending adalah [5]:
DT =
DT Ap k -1 f DP DX
(2)
Beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya perubahan koefisien transmisi optik adalah besarnya beban, periode deformer (jarak antar gigi bending). Nilai periode deformer untuk fiber optic step index ditentukan dengan persamaan [5]:
75 _______________________________________________________________________________________ Formulasi Matematis untuk Perancangan Sistem Alat Ukur Beban Kendaraan Berjalan (WIM Device). Rini Khamimatul Ula, dkk.
Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN 2502-5279 _______________________________________________________________________________________
2pRcoren1 NA
L SI =
(3)
Untuk fiber optic graded index:
2pRcoren1 NA
L GI =
(4)
Vehicle Dynamic Vehicle dynamic merupakan salah satu pendekatan yang digunakan untuk menganalisis perubahan-perubahan yang terjadi pada kendaraan ketika berada di permukaan jalan. Perubahan tersebut meliputi kecepatan, percepatan dan perlambatan yang dialami oleh kendaraan akibat gaya yang bekerja pada kendaraan. Pada kasus kendaraan berjalan pada lintasan yang lurus, gesekan udara serta jenis ban yang digunakan diabaikan. Gaya normal kendaraan terhadap permukaan jalan saat kondisi diam adalah [5]:
N =W
c L
(5)
dengan W adalah berat kendaraan yang dipengaruhi percepatan gravitasi, c merupakan jarak antara roda belakang dengan titik berat kendaraan dan L adalah jarak antara roda depan dan roda belakang. Berat dynamic kendaraan pada bagian roda depan dan belakang pada kondisi statis adalah[5]:
Ws = W
b L
(6)
dengan b adalah jarak antara roda depan dengan titik berat kendaraan.
METODE PENELITIAN Pada penelitian ini kami menggunakan rancangan eksperimen seperti pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1. Set up eksperimen untuk untuk Weight In Motion Device. 76 ________________________________________________________________________________________ Formulasi Matematis untuk Perancangan Sistem Alat Ukur Beban Kendaraan Berjalan (WIM Device). Rini Khamimatul Ula, dkk.
Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN 2502-5759 _______________________________________________________________________________________
Ketika kendaraan dalam posisi bergerak dan menginjak sensor berat, maka akan terjadi perubahan nilai koefisien transmisi yang selanjutnya dimanfaatkan untuk mengetahui percepatan kendaraan yang selanjutnya digunakan untuk mendeteksi beban kendaraan yang melewati sensor. Pada penelitian ini diasumsikan bahwa kendaraan bergerak dengan kecepatan rendah, kendaraan melintas pada permukaan yang rata sehingga diabaikan adanya sudut kemiringan serta mengabaikan aerodynamic dari kendaraan. Untuk perancangan sistem sensor berat yang mampu menjangkau beban hingga 8000 N. Maka dilakukan beberapa analisis meliputi jenis fiber yang digunakan, nilai NA fiber, bahan core fiber, serta pendekatan matematis tentang periode deformer yang optimum untuk beban 8000 N.
HASIL DAN PEMBAHASAN Formulasi Matematis Untuk Perancangan Sensor Berat Desain sensor yang akan dianalisis secara teori pada penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 2. Formulasi matematis untuk optimasi sensor berat berbasis optik antara lain pada penentuan periode deformer dapat menggunakan Persamaan (3) atau (4) dan pengaruh periode deformer pada perubahan koefisien transmisi akibat perubahan beban yang menekan sensor berat, dianalisis dengan persamaan: !=
" # $ %& ' ( ) *+,-. /
(7)
dengan ƴ: koefisien atenuasi fiber, F: perubahan nilai beban, A: luas penampang fiber yang terbending, Λ: periode deformer, Y: modulus Young dari bahan core fiber, Rcore: jari-jari core fiber, η: jumlah interval bending. Formulasi matematis untuk pengukuran beban ketika kendaraan dalam keadaan diam pada permukaan jalan yang lurus, maka beban pada roda depan kendaraan adalah:
Wf = W
c L
(8)
sedangkan beban pada roda bagian belakang adalah:
Wr = W
b L
(9)
Pada kendaraan yang melaju dengan kecepatan rendah dengan lintasan jalan yang lurus, maka beban pada kendaraan bagian depan adalah:
æc a hö W f = W çç - x ÷÷ èL g Lø
(10)
Gambar 2. Desain sensor berat berbasis optik. 77 _______________________________________________________________________________________ Formulasi Matematis untuk Perancangan Sistem Alat Ukur Beban Kendaraan Berjalan (WIM Device). Rini Khamimatul Ula, dkk.
Makalah Prosiding Lokakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (LINOF 2015) Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN 2502-5279 _______________________________________________________________________________________
sedangkan beban kendaraan pada roda bagian belakang adalah:
æc a hö Wr = W çç - x ÷÷ èL g Lø
(11)
Beban kendaraan sesungguhnya berdasarkan analisis axle load pada kendaraan adalah:
W = W f + Wr
KESIMPULAN Untuk mendapatkan desain sensor ukur berat beban kendaraan berbasis optik pada WIM device diperlukan analisis matematis mengenai: periode deformer, perubahan koefisien transmisi, serta axle load yang terdapat pada roda depan dan belakang kendaraan.
DAFTAR PUSTAKA 1. B. E. A. Saleh dan M. C. Teich, Fundamental of Photonics, (John Wiley & sons, 1991). 2. S. F. Knowles dan B. E. Jones, “Multiple microbending optical fibre sensors for measurement of fuel quantity in aircraft fuel tanks,” Sens. Actuators A 68, 320-323 (1998). 3. Z. W. Zhu dan D. Y. Liu, “A novel distributed optic fiber transduser for lanslide monitoring,”, Opt. Laser Eng. 2011, 1019-1024 (2011). 4. X. Yang dan Z. Chen, “Textile fiber optic microbend sensor used for heartbeat and respiration monitoring,” IEEE Sensors J. 15(2) (2015). 5. N. Lagakos dan J. H. Cole, “Microbend fiber optic sensor,” Appl. Optics 26(11) (1987). 6. M. Bin dan Xinguo Zou, “Study of vehicle weight in motion system based on fiber optic microbend sensor,” International Conference on Intellegent Computation Technology and Automotion 2010, 458-461 (2010). 7. P. J. Cosentino, dkk., Final Report Development of Fiber Optic Dynamic Weight in Motion System (NITS, 1997).
TANYA JAWAB 1. Pertanyaan dari Nursidik Yulianto (P2F LIPI): Apakah sudah ada kajian awal mengenai desain sensor beban sehingga dapat digambarkan seperti yang disajikan dalam penelitian ini? Kajian mendalam sampai dengan sifat bahan itu sendiri bukan hanya periode grating yang harus digunakan? Jawaban: Untuk penelitian awal ini, kami membatasi sampai dengan bagaimana membuat suatu sensor beban yang tidak mudah rusak dari bahan yang tidak lentur. Dalam hal ini kami pilih yaitu akrilik. Kajian awal mengenai sifat bahan yang paling cocok untuk sensor ini belum kami lakukan, dan harus dikoordinasikan dengan peneliti dalam bidang material science.
78 ________________________________________________________________________________________ Formulasi Matematis untuk Perancangan Sistem Alat Ukur Beban Kendaraan Berjalan (WIM Device). Rini Khamimatul Ula, dkk.
