VOLUME 3, NOMOI. 2
JURNAL FIsIKA DAN APLIKASINYA
JUNI
2001
Evaluasi Peraneangan Sensor Fiber Optik Plastik untuk Pengukuran Stress dan Strain Em Sugiarti,. Resetiana Dwi Desiati, Prabowo Pmanto, Edi Tri Astuti, dan Tomi Budi Waluyo Pusat Penelitian Jiisika - LIP] Komplek Pusplptek Serpong - Tangerang JjJJ4. IntIones/a
Intisarl Sensor SIrain digunakan untuk mengukur perubahan sIraln akibat stmss pada suato bahan. Dalam penelitian ini. telsh dimm:ang sensor stmin menggunakan fiber optik dati baban dielektris plastik dengan teknik penciladaD. TeImik yang dipakai adaIah untuk melibat pembahan inteJlsibi$ wbaya yang terdcteksi sebagai akibatdari
stress yang diterima fiber optik. Pengamatan dalam penmcangan sensorfiber optik menggunakan PC mikroskop sebingga struktur permulman fiber yang kecil dan balus dapat terlihat. Untuk mengeIahui besaran strain akibat stress yang terukur dibutuhkan sumber cahaya laser. fu1odetektor, mngkahm amplifiet; modul akuisisi data (DAQ) dan PC. Ewluasi basil penmamgan sensor djlakukan dengan lUi tarik (tensUe) fiber optikyang diletak:kan pada spesimen menggunalmn mesin universaI tensUe meter (UTM). KATA KUNCl: sensor stmiD, fiber optik. streaa, UTM.
L PENDAHULUAN
Perkembangan fiber optik: yang pesat menyebabkan apUkasi fiber optik saat ini tidak. banyadirnanfiudlran sebagai media tnmsmisi tetapi juga sebagai sensor. Sensor strain dan stress tnengguna1can fiber optik memjhld keIebiban dibandiogkan dengan sensor lain karena fiber optik itu sendiri unggul daJam ukuran yang keeil, taban terhadap interferensi elektromagnetik: dan radiasi cahaya serta tidak tcrpengaruh pada sif4t baban sehingga dapat dilekatkan dengan bahan komposit seaua non-obstrusive (tanpa desakan) [1]. Berbagai sistem sensor fiber optik untuk mengukur strain dan stress teIah banyak dikembangkan. Sistem sensor tersebut ada1ah sensor FBG (Fibre Bragg Grating) [2] yang prinsipnya ada1ah mengukur perubaban intensitas sinyal optik: yang direfleksikan sebagai fimgsi dati perubaban panjang gelombang dan strain pada fiber optik, sensor FPI (Fabry Perot in-
terferometer) [3] berdasarkan multi refteksi £ably perot yang
berinterfe.rens sensor ESPC (embedded sensor protection system)[4] yang mengukur perubahan strain dan strain akibat peiubaban struktur yang terdeteksi serta masih banyak lagi. Semua sistem tersebut tentunya memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing~ Terdapat perbedaan embedded fiber optic sensor lainnya dengan. sistem yang akan dinmcang. Sistem sensor ini lebih sederhana karena tidak membotubkan tekn:ik demodulasi untuk mengolah sinyal dengan menggunakan spektrum optik: ana1iaeJ; melainkan hanya membotubkan pemJatan aeperti transmitter dan receiver yang daIam hal ini adalah laser ReNe dan fotodioda. Dengan keungguJan karakteristik fiber optik maka ada •. akan dibabas .mengenai rancangan sensor strain P paper lID
-.E-MAIL:
[email protected]
@) JUIWI8D Ymika FMIPA ITS
dan stress menggunakan fiber optik plastik. Plastic· Optical FIber (POP) menjadi altematif selain Gloss Fiber Optic (GOp) yang dapat mengurangi transmisi sinyal yang hiJang dan hanya mengandaJkan modulasi intensitas cabaya sebagai sensor yang akan. mendapat perlakuan seperti tarikan (tensile)~
0. DASAR TEORI
Fiber optik: mempakan pemandu gelombang (waveguide) dati baban dielektris (gelas dan plastik) yang menIIansnrisilam cahaya. BerdasarJmO hokum Snellius untuk tmnsmisi
optik: bahwa cabaya yang dipantuJkan akan mengalanri.pembengkokan diantam 2 media, dalam hal ini adalah fmti dan clatJding lpelindung dati fiber optik. Masing-masing media teIsebut memiliki index refmktif (0). Jib sudut yang terbentuk lebih besar dati sudut kritis, maka terjadirefteksi total dan tidak ada cahaya yang masuk ke medium lain seperti terJihat pada Gambar 1a. SOOangInm jib pada medium teJ:dapat celah (Gambar Ib) maka sebagian berkas c:ahaya akan hiJang keluar sebingga akan mengmangi dayanya sesuai dengan persamaan·
core
Power(dB)
=10 LoglO
Pout Pin
(1)
Kemampuan fiber untuk menbansfer cabaya dittnYukkan oleh persamaan Numerical .Apt:u1un1 (NA) yang dapat dituliskan sebagai berikut: (2)
Namun untuk fiber yang diberi perlakuan. seperti pembengkokan berIak:u persamaan NA yang berbeda yaitu:
NAout =
Vn¥-~(l+ ~)2
(3)
070203-1
1. Fls. DAN ApL., VOL. 3, No.2, JUNl 2007
ENI SUOIARTI, dirk.
Durall,... diIu1raj
~
I-I 1 (8)
,
(8)
,
dllnkat _ ____
lUlU .. ) ..... ~_--,J...
Daenh Yan; ailuW
f~
["'--~d (b)
(b)
Gambar 1: (a). Berkascahaya pada kondisi FO nonnaI (lurus dan tidak dilukai),(b). Berkas cabaya pada kondisi FO dilukai
Gambar 2: (a). Fiber Optik cacat tunggaJ, (b).Fiber Optik ClK:Ilt banyak
dengan nl = indeks refraktif inti fiber, 02 = indeks reftaktif pelindung fiber, R = Radius pembengkokan, a = Radius fiber. . Untuk mengetahui besamya perubahan. strain akibat stress . ~. Dlaka fiber optik diberi perlalruan dengan uji tank. Persamaan / untuk stress dan strain yang berlaku saat objek di tarik (tensile) adalah berdasarkan deformasi yang dialami suatu benda yang mengalami gaya. Strain, 10, adaIah besar deformasi per~.panjang,
,.
Il.L
10=-
L
(4)
A. . Metoda·Perancangan Sensor
Sensor strain dan stress mengguoaka;n fiber optik plastik (POF) sepanjang ±2 m.. Sensor dira,ncang dengan teknik pencacatan fiber optik secara tunggal (Gambar 2a) dan banyak (multi point) pada Gambar 2b yang masing-masing dilaJmkan ditengah POF sepanjang ±2 em. Pengamatan dalam perancangan sensor- fiber optik menggunakan alat bantu PC mikroskop sehingga struktur permukaan fiber yang keeil dan balus dapat terlihat (Gambar 3). .
sedangkan stress (S) adaIah gaya persatuan'luas,
S=F
(5)
A Strain. awat akan berbanding lurus dengan besamya· stress. Namun setelah stress ditiadakan, strain akan bilang. Kondisi seperti ini dinamakan kondisi batik (reversible). Strain linier yang mampu batik tersebut disebut dengan strain elastik. Untuk strain elastik: berlaku persamaan modulus elastik atau modulus Young, E, dengan persamaan: S
E=10
(6)
K.ekuatan. tarik (tensile strength) suatu bahan ditetapkan dengan membagi gaya maksimum dengan luas penampang semula. Dengan demik:ian dimensi kekuatan tarik akan sarna dengan besaran stress dari Pers.5.
m ..
B.
Metoda Preparasi Sensor stmJn daD Benda Uji
Sebelwn melakukan pengambilan data. batang sensor fiber optik: diletaldcan pada benda uji paduan a1wniniwn tipe ASOS2P. Pelat alwninium ini dipotong menmut dengan ukuran yang disesuaikan dengan kemampuan load cell dari mesin uji tarik UTM. Secara diagramatik bentuk: benda uji adaIah seperti Gambar 4. Teknik meletakkan sensor fiber optik pada benda uji diIakukan dengan memposisikan bentuk penampang geometri fiber bait secara lurus (Gambar 5a),lengkung ke dalam (Gambar Sb) dan lenglrung Ire luar (Gambar 5c). Sensor direkatkan pada benda uji menggunakan lem cyanoacrylate. Agar proses pengambilan data tidak terganggu maim tidak: seluruh permukaan benda uji direkatkan fiber optik. lIustrasi penempatannya akan ditunjukan pada Gambar 6.
METODOLOGI PENELITIAN
Dalam perancangan sensor strain dan stress menggunakan fiber optik digunakan beberapa metode untuk membandingkan respon perubahan. intensitas cahaya akibat stress yang diterima fiber optik.
C.
Metoda peogambDau data
Dalam pengambilan data. sensor fiber optik membutuhkan sumber cahaya laser yaitu laser He-Ne dengan A = 632,5 om.
070203-2
J.F's. DAN
ENI SUGJARTI. dick
APL., VOL. 3, No.2, JUNI 2007
(d)
(c)
(b)
(a)
Gambar 3: (a). Pengecekan penampang irisan fiber yang telah dicacat tanpa diberi swnber laser., (b). Pengccekan pes:mmpang irisan fiber yang tclah dicacat dengan swnber laser, (c). Pengecekan penampang ujung fiber tanpa diberi sumber laser., (d). Pengecek8D penampang qjung fiber
dengan sumber laser.
\" Daerah yang dlIukal
IUDmm (a)
(a)
(b) (b)
Gambar 4: Polongan benda uji yang digunakan pada eksperioJen sensomber optik.
(c)
fotodetektor, rangkaian instrumentasi amplifier, modul akuisisi data (DAQ) dengan resolusi 12 bit dan PC seperti pada Gambar 7. Evaluasi sistem sensor secara keseluruhan dilakukan dengan uji tarik (tensile) fiber optik yang diletakkan pada benda uji menggunakan mesin uji tarik (UTM).
Gambar 5: (a). Penampang geOmetri fiber lurus,(b). Penampang geometri fiber lengkung Ire dalam,(c). Penampang geometri fiber lengkung ke luar.
Berkas sinar laserdifolruskan dengan Iensa folrus sehingga input yang diberikan laser tepat pada posisi inti fiber. Perubahan intensitas cahayadikonversikan dengan rangkaian fotodetektor menjadi sinyailistrik. Output yang dihasilkan pada sistern sensor fiberoptik diperkuat dengan rangkaian instrumentasi amplifier. Untuk mempermudah proses pengambilan data dan agar basil yang diperoleh secara real time dapat dimonitor . oleh PC serta data tersebut dapat disimpan ke database maka diperlukan suatu modul akuisisii data dan perangkat looak 00tuk meltlbuat visualisasi sistem yang dibangun tersebut.
Analisa ootuk: mengetahui respon posisi geometri sen· sor fiber optik pada benda uji terhadap strain dan stress telah dilakukan secara manual dengan membengkokan·fiber yang telah dicacatL Dari Gambar 8 dapat diketahui bahwa saat fiber dibengkokan ke dalam sensitivitas sensor terhac1ap stress dan strain lebih besar dibandingkan saat fiber·tersebUt dibengkokan ke luai atau lwus. Hal ini ditunjukkan dengan besamya tegangan yang diperoleh yaitu uittuk geometri fiber optik lurns adalah ± 2,5 V, geometri fiber optik lengkung ke dalam sebes8r ± 2,6 V dan geometri Ienglrung ke luar
IV. BASIL DAN DlSKUSI
070203-3
J. Fls. DAN APL., VOL. 3, No.2, JUNI 2007
ENI SUGIARTI, dkk.
Pl"ukat (a) (a)
(b) (b)
. <}ambar 6: (a). Ilustrasi peneIIlpalan sensor fiber optik. pada benda Posisi Fiber Optik lekuk ke daIam yang ditempelkan pada
,., ." tW, (b).
,\ "'rlYeixla uji "
.~.("-(
1\1...... UIM
(c)
Gambar 8: (a). Geometri fiber Optik. Ll!fUS ,(b).Geometri fiber optik lengkung ke dalarn.(c). Geometri fiber optik lengkung ke luar.
PmonaJ rumputer
Gambar 7: Skema Sistem Sensor Fiber Optik P1astik..
adalah paling kecil yaitu ± 1,4 V. Perbedaan tegangao yang dihasilkan disebabkan oleh perbedaan besamya intensitas cahaya yang bocor pada keadaan geometri tertentu. Deugan metode pengujian posisi geometri fiber optik maka untuk eksperimen uji 1arik (tensile) dengan UTM, responsitas sensor fiber optik terhadap strain dan stress diambil dengao melengkungkan fiber ke arab dalam yang diletakkan pada benda uji. Selain geometri fiber, hal lain y8ng perlu diper-
hatikan adalah karakteriStik bahan yang digunakansebagai benda uji yaitu pelat a1uminiwn A5052P. Bahan yang akan diberi perlakuan tentunya mendapat gaya yang besamya akan mempengaruhi defonnasi bahan tersebut Deformasi yang dapat terjadi pada bahan adalah defonnasi elastik yaitu deformasi linier dimana bahan dapat kembali ke kondisi sernuIa (ductility) yang ditunjukkan pada daerah elastis (Gambar 9) dan defonnasi 'plastik yang teIjadi pada daerah plastis dimana saat kondisi ini bahan sudah patah dan tidak dapat kembaIi ke bentuk semuIa. Pencatatan data eksperimen dilakukan oleh X-Y plotter dati mesin uji tarik, UTM, daD PC dengan perangkat lunak yang telah dirancang berbasis modul akuisisi data. Hasil yang terukur oleh X-Y plotter pada Gambar 10 merupakan responsitus sistem sensQl' fiber optik terhadap perubahan stress dan strain yang terjadi selama benda uji mengalami deformasi elastik. Pada daerah elastik, bahan tidak akan patah tetapiakan teIjadi perubahan panjang akibat gaya yang diberikan. Be-
070203-4
J. Frs.
ENI SUGlARTI,
DAN APL., VOL. 3, NO.2, JUNI 2007
V.
dkk.
SIMPULAN
Dari pembahasan yang telah diuraikan· maka. evaluasi pcrancangan sensor fiber optik plastik untuk pengukuran stress dan strain dapat ditarik beberapa kesimpulan yaitu : I. Teknik pencaeatan fiber optik plastik (POF) yang telah diraDcang memiliki sensitivitas terhadap perubahan strain dan stress.
sensor
2. Posisi geometri fiber optik yang lengkung ke dalam memiliki sensitivitas yang baik dibandingkan lengkung ke luar ataupun lur'us saat sensor tersebut ditempelkan pada benda yang akan diuji dengan tegangan maksimal yang terdeteksi yaitu sebesar ±2,6 V.
Gambar9: Contoh kurva strain VS stress dari pelat aluminium AS052P.
3. Metode pengujian dari sistem sensor fiber optik adalah dengan uji tarik menggunakan mesin UTM pada benda uji yang telah direkatkan sensor fiber optik. 4. Pencatatan data eksperimen dilakukan oleh X-Y ploner dari mesin uji tarik, UTM, dan PC dengan peranglmt lunak yang telah dirancang berbasis modul akuisisii data
5. Berdasarkan X':'Y plotter UTM diketahui bahwa strain yang diperoleh yaitu sebesa.r ±5,3 ~ sedangkan stresmya adalah ±5376 N/mm 2 •
Gambar 10: Kurva stress Vs strain Pelat Aluminium A5052P yang dieatal oleh X-Y plotter UTM.
samya perpanjangan merupakan strain yang terukur, maka berdasarkan Gambar 10 diperoleh strain yaitu sebesar ± 5,3 mm. Sedangkan stress diketahui dengan korelasi perbandingan gaya persatuan luas pada mesin UTM dengan X-Y plotter UTM yaitu sebesar ± 5376 N/mm 2 • Hasil yang diperoleh pada PC dapat diketahui secara real time dengan sistem sensor fiber optik yang secara kompak dirangkaikan.. Gambar II menunjukkan perubahan strain sensor fiber optik yang diuji tarik menggunakan UTM dengan selang waktu tertentu. Tegangan yang· diperoleh merupakan strain yang terukur sebagai akibat perubahan intensitas cahaya yang bocor dari fiber optik. Tegangan mula-mula yang terukur adalah ± 2,65 V dan tegangan akhimya adalah sebesar ±. 2,05 V. Dengan demik:ian tetjadi perubahan tegangan sebesa.rO,6 Vatau dengan kata lain terjadi perubahan strain sebesa.r ± 8,8 I'm/mY. Hal ini menunjukkan bahwa selama benda diuji ditarik, sensor fiber optik mengalami penurunan tegangan sebagai akibat intensitas cahaya yang bocor Makin bertambah.
[I] Leng Jinsong and Anand Asundi, Sensor and Actuators A 103, 330-340 (2003). [2) Liu J.G., Schmidt hattenberger, G.Borm, Measurement 32, 151161 (2002). [3) Tuck J, Christopher, Richard Haque dan Crispin Doyle, Measurement Science Technology 17, 2206-2212 (2006).
6. Hasil yang diketah.ui dari PCadalah perubabantegangan sebesa.r 0,6 V atau dengan kata lain terjadi perubahan strain sebesar ±8,8 m/mV.
"""""-UPT_ _ _ OptII< d_aoamelrl KeAnbD......
Gambar II: Gmfik banyaknya data terbadap tegangan sebagai tespon uji tarik sensor fiber optik dengan geometri lengkung Ire dalam.
[4) Leng Jinsong, D. Wmter, R A Barnes,G C Mays dan G F Fernando, Smart Mater.Struet IS, 302-308 (2006). [5) K.S.C Kuang, W J Cantwell dan P J Scully, Meas.Sci. Technol. 13, 1523-1534 (2002).
070203-5
