FABRIKASI SENSOR PERGESERAN BERBASIS MACROBENDING SERAT OPTIK Oleh; Hadziqul Abror NRP. 1109 100 704 Pembimbing: Dr. Melania Suweni Muntini, M.T Ruang Sidang Fisika, 20 Maret 2012
Outline Pendahuluan Tinjauan pustaka Metodologi Penelitian Hasil dan Pembahasan Kesimpulan dan Saran
Latar belakang Serat Optik sebagai transmisi data dengan kecepatan tinggi
Dengan prinsip rugi daya, serat optik digunakan sebagai sensor - Kelembapan (gejala evanescent pada serat optik yang dikelupas) - Pergeseran dengan OTDR
Dengan prinsip macrobending serat optik, digunakan sebagai sensor pergeseran
Permasalahan dan Batasan Masalah Permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini sebagai berikut: 1. Bagaimana memodelkan Sensor pergeseran Berbasis serat optik berdasarkan prinsip rugi daya akibat lekukan makro. 2. Bagaimana pengaruh banyak lekukan serat optik terhadap rugi daya. 3. Bagaimana karakteristik sensor pergeseran yang dirancang.
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Penelitian ini mempelajari pergeseran dua arah dengan memanfaatkan prinsip rugi daya akibat lekukan pada serat optik. 2.
Penelitian ini menggunakan sumber cahaya berupa LED Infrared
tipe IF-E91 dan detector fototransisitor tipe IF-D92. 3. Serat optik yang dipakai adalah serat optikmultimode tipe FTP-312010 buatan autonics.
Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Menghasilkan perancangan sensor pergeseran berbasis macrobending serat optik. 2. Mempelajari pengaruh jumlah lekukan terhadap rugi daya serta karakteristik sensor yang telah dibuat. 3. Menganalisis karakteristik sensor pergeseran yang telah dibuat.
Tinjauan Pustaka • • • • • • • •
Pergeseran Serat optik Prinsip pemanduan cahaya Rugi daya akibat kelengkungan Sensor dan karakteristiknya LED Fototransistor Minimum system mikrokontroller
pergeseran Perubahan posisi suatu partikel disebut pergeseran (displacement) A
B Gambar 2.1 Pergeseran A ke B
(2.1)
(Halliday, 1995)
Serat optik Serat Optik (optical fiber) merupakan pemandu gelombang dielektrik yang beroperasi pada frekuensi optik
Gambar 2.2. Struktur serat optik
Single mode Berdasarkan moda yang terpandu
Multi mode
Serat Optik Berdasarkan Indeks bias
Step indeks Graded Indeks
(Schott, 2002)
Prinsip pemanduan cahaya Prinsip pemanduan cahaya dalam serat optik berdasarkan pemantulan dalam sempurna (total internal reflection). Sudut yang menentukan terjadinya total internal reflection dinamakan sudut kritis
Gambar 2.6. Propagasi gelombang pada serat optik
Numerical Apertur (NA):
(2.2) (Keiser, 1991)
Rugi daya akibat kelengkungan Semakin kecil jari-jari kelengkungan maka nilai indeks bias inti semakin mendekati indeks bias cladding sehingga makin banyak sinar yang terbiaskan keluar dari inti serat.
Gambar 2.7. (a). profil indeks bias efektif saat fiber optik lurus (b). profil indeks bias fiber optik saat ada lengkungan.
Gambar 2.8. Rugi daya akibat macrobending
Gambar 2.9. Rugi daya akibat microbending
Sensor dan karakteristik Sensor adalah piranti yang dapat mendeteksi perubahan besaran fisis menjadi sinyal elektrik. Perubahan besaran fisis (stimulan) tersebut merupakan kuantitas energi yang dideteksi kemudian dikonversi ke dalam sinyal elektrik karakteristik statik sensor meliputi kalibrasi, linieritas, sensitivitas, jangkauan pengukuran, saturasi, dan repeatibility.
Gambar 2.10 Linearitas
Gambar 2.11 Saturasi
LED Light Emitting Diode (LED) merupakan tipe dioda PN junction yang terbuat dari band gab semikonduktor, yang menghasilkan emisi foton dari proses rekombinasi pasangan elektron-hole. Energi foton yang dipancarkan kira-kira sama dengan energi gab. Cahaya emisi tergantung pada besarnya energi gap. Inframerah memiliki energi gab sebesar 1,35 eV dengan panjang gelombang cahaya emisi sebesar 0,9 mikrometer, sedangkan cahaya tampak memiliki energi gap sebesar 2,25 eV (Omar,1974).
(2.8) Gambar 2.13 (a). Energi band gap pada PN junction tanpa diberi bias (b). terjadinya rekombinasi pasangan hole elektron pada pn junction yang diberi bias maju
Fototransistor Fototransistor merupakan sebuah detektor cahaya yang merupakan kombinasi dari fotodioda dan penguatan transistor. Fototransistor ini merupakan semikonduktor fotokonduktor NPN yang dioperasikan pada tegangan bias mundur. Ketika cahaya mengenai permukaan fotokonduktor, pembawa muatan akan mengalami transisi dari suatu pita energi ke pita energi lainnya, hal ini menyebabkan meningkatnya konduktivitas semikonduktor akibat meningkatnya pembawa muatan.
(2.9) Dengan Iph merupakan fotocurrent, hFE adalah gain dari arus common-emitor dan efisiensi kuantum efektif adalah (1+ hFE) yang nilainya lebih besar daripada basis colektor fotodioda.
(Sze.1936) dan (malcom, 1985)
Minimum System Mikrokontroller Sistem minimum mikrokotroler adalah rangkaian elektronik minimum yang diperlukan untuk beroperasinya IC mikrokontroler. Ada beberapa komponen yang dibuat untuk merangkai system ATmega AVR 8535 diantaranya yaitu : IC Mikrokontroler ATmega 8535 1 XTAL 12 Mhz Kapasitor Resistor Tombol reset pushbutton Power supply 5V.
Gambar 2.15 Pin ATmega 8535
Metodologi Studi literatur
Lekukan fiber LED
Fototransistoror
Persiapan alat dan bahan
Pembuatan elemen sensor 15cmm
15 cm
Pembuatan sistem instrumentasi
Pembuatan mikrokontroller
Pengambilan data
Pembahasan dan pembuatan laporan
Gambar 3.1 Blok diagram penelitian
Box pengondisi sinyal
Gambar 3.2 Set up alat
Pembuatan Serat Optik sebagai Elemen Sensor Sistem sensor ini terdiri dari LED sebagai sumber cahaya yang dihubungan dengan salah satu ujung serat optik. Serat optik sebagai pemandu gelombang, serta fototransistor sebagai receiver cahaya yang dihubungkan dengan ujung serat optik lainnya Gambar 3.3 Sistem elemen sensor Pembuatan Catu Daya Catu daya ini sebagai sumber tegangan sensor. catu daya yang dibuat memiliki keluaran +5Volt, +12 Volt, dan -12 Volt. Gambar 3.4 Rangkaian catu daya
Perancangan Mikrokontroller (Minimum Sistem ATmega 8535)
Gambar 3.6 Rangkaian skematik mikrokontroler
Pembuatan Software program mikrokontroller dengan menggunakan Codevision AVR
Metode Pengujian Metode pengujian sensor ini adalah sebagai berikut: 1. Karakterisasi lekukan, pengukuran tegangan untuk jumlah lekukan satu sampai tiga lekukan dengan jarak antar lekukan 5 cm. 2. Pengambilan data dilakukan pada range sudut 300sampai 1500. Percobaan dilakukan setiap perubahan 100 dan diulang sebanyak lima kali. 3. Pemilihan lekukan terbaik untuk sensor. pengambilan data dilakukan untuk pergeseran maju (dengan ditarik) dan mundur (dengan dilepas). Metode Analisa Metode analisa dalam penelitian adalah sebagai berikut: 1. Pengaruh sudut terhadap tegangan keluaran (terhadap rugi daya). 2. Membandingkan tegangan keluaran untuk satu lekukan, dua lekukan, dan tiga lekukan, seberapa efek dari penambahan lekukan dan apa hubungannya. 3. Karakterisasi sensor yang meliputi sensitifitas, linieritas, jangkauan pengukuran, akurasi dan presisi (untuk jarak), dan sebagainya.
Hasil dan Pembahasan Penelitian ini terdiri dari studi rugi daya dengan variasi sudut lekukan dan jumlah lekukan, serta pengaplikasiannya dalam sensor pergeseran Cahaya sumber berasal dari LED
Adanya variasi sudut lekukan, terjadi perbedaan intensitas pada fototransistor
Intensitas cahaya dikonversi ke hambatan kemudian tegangan
Tampilan LCD
Dipandu oleh serat optik
Cahaya diterima fototransistor
Pengondisi sinyal
Mikrokontroller (ADC)
Gambar 4.1. Blok diagram prinsip dasar sensor
Studi Rugi Daya pada Satu Lekukan 4820 y = 0.6557x + 4715 R² = 0.9765
4810 4800 Tegangan (mV)
4790 4780 4770 4760 4750 4740 4730 Series1
4720 0
50
100
150
Linear (Series1)
Sudut (derajat)
Gambar 4.2.Grafik hasil percobaan untuk satu lekukan
- kenaikan tegangan rata-rata untuk setiap kenaikkan sudut 100 pada rentang sudut 300 - 1800 sebesar 6 mV. - kenaikkan tegangan tertinggi pada sudut 600, dengan delta tegangan 14 mV. - Jangkauan pengukuranya adalah 77,4 mV yaitu dari 4729m V sampai 4806,4 mV - Gradien garis menunjukkan nilai 0,655 mV/derajat
Studi Rugi Daya pada Dua Lekukan 4820 y = 0.8052x + 4684.8 R² = 0.8673
4800
Tegangan (mV)
4780 4760 4740 4720 4700 Series1
4680 0
50
100 Sudut (derajat)
150
Linear (Series1)
Gambar 4.3. Grafik percobaan untuk dua lekukan - Jangkauan pengukuran sebesar 100,4 mV. (yaitu dari 4790,6 mV sampai 4690,2 mV ) - Kenaikan tegangan rata-rata per 100 adalah 8,37 mV - Kenaikan tegangan tertinggi terjadi pada saat sudut 500 dengan kenaikan sebesar 18 mV. - --- Persamaan yang diperoleh dengan regresi linerar adalah y=0,805x+4684 mV. - Gradien 0,805 mV/derajat
Studi Rugi Daya pada Tiga Lekukan 4900 y = 3.6697x + 4237.4 R² = 0.7255
4800
Tegangan (mV)
4700 4600 4500 4400 4300 4200 4100 Series1
4000 0
50
100 Sudut (derajat)
150
200
Linear (Series1)
Gambar 4.4.Grafik hasil percobaan untuk tiga lekukan -Kenaikkan tegangan rata-rata per 100 adalah sebesar 50 mV - Kenaikkan tertinggi terjadi pada sudut 400. Jangkauan pengukuran sebesar 0,607V. -Persamaan grafik dengan pendekatan regresi linear y=3,669x+4237 mV -Nilai kedekatan nilai percobaan terhadap referensi (R2) sebesar 0,725. - Semakin tidak linear
Rugi Daya dalam dB -Semakin kecil sudut lekukan, maka rugi daya semakin besar - Semakin banyak jumlah lekukan, maka rugi daya semakin besar
dB=20 log V2/V1 dengan: V2= tegangan ketika ada lekukan V1 = tegangan ketika lurus
Grafik 4.4 Perbandingan rugi daya dengan variasi sudut lekukan dan jumlah lekukan
Kalibrasi sensor Alat ukur panjang yang dipakai sebagai kalibrator adalah penggaris. Kalibrasi sensor dilakukan dengan cara menggeser bidang geser dengan pergeseran setiap 0,5 cm dari pergeseran 0 – 3,5 cm. Ketika bidang geser tidak ada pergeseran, yakni berimpit dengan bidang yang diam, maka disebut titik nol dan pada saat ini besar tegangan keluaran sensor dicatat. Kemudian bidang geser digeser setiap kenaikan 0,5 cm. Kemudian tegangan keluaran sensor dicatat. 4 y = 1.9133x3 - 15.422x2 + 42.6x - 40.239 R² = 0.9936
3.5
Pergeseran (cm)
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
Tegangan (Volt)
Gambar 4.6 Kalibrasi Sensor
3.5
3.7
3.9
Pengujian Tarik Sensor - jangkauan pengukuran pergeserandari sebesar 3 cm - Jangkauan tegangan yang terbaca sensor adalah 1,021 Volt - Error Relatif terhadap referensi adalah 3,18%.
Uji Tarik 3.5 y = 2.1181x3 - 17.263x2 + 48.041x - 45.508 R² = 0.9999
3
Pergeseran (cm)
2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
3.7
Tegangan (Volt)
Gambar 4.9 Grafik hasil percobaan sensor pada saat ditarik
3.9
Pengujian Lepas Sensor Uji Lepas
- Jangkauan pengukuran tegangan adalah 1,035 Volt - Jangkauan pergeseran yang dapat dideteksi sensor adalah 3 cm - Error relatif sebesar 6,29%
3.5 y = 1.7864x3 - 14.157x2 + 38.41x - 35.631 R² = 1
3
Pergeseran (cm)
2.5 2 1.5 1 0.5 0 2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
3.7
3.9
Tegangan (Volt)
ambar 4.10 Grafik hasil percobaan sensor pada saat lepas
Komparasi saat uji tarik dan lepas 3.5 3
Pergeseran (cm)
2.5 2 1.5 1 0.5
tarik
Lepas
0 2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
3.7
Tegangan (Volt)
Gambar 4.11 Grafik komparasi untuk uji tarik dan lepas
3.9
Prinsip yang ditujukkan dari gambar 4.10 dan 4.11 adalah semakin panjang pergeresan, maka sudut lekukan semakin besar, sehingga rugi daya akibat lekukan semakin lebih kecil. Sehingga intensitas yang diterima fototransistor semakin besar, sehingga resistansi semakin kecil.
Kesimpulan • Dari percobaan studi rugi daya pada serat optik dengan variasi sudut lekukan dan banyak lekukan didapatkan kesimpulan bahwa semakin banyak lekukan maka semakin besar rugi daya pada serat optik; serta semakin kecil sudut lekukan maka semakin besar rugi daya pada serat optik. • Sensor pergeseran yang dibuat memiliki jangkauan pengukuran pergeseran sebesar 3 cm dengan jangkauan pengukuran tegangan 1,021 Volt. Grafik sensor yang diperoleh mendekati persamaan polynomial orde-3. Nilai error relatif sebesar 3,18% untuk uji tarik dan 6,29 % untuk uji lepas.
