Pembuatan Alat Ukur Pola Distribusi Intensitas Difraksi Cahaya Berbasis Mikrokontroller Akhmad Yuniar, Prawito Departemen Fisika –Instrumentasi, FMIPA UI, Kampus UI Depok, 16424
[email protected],
[email protected]
Abstrak Dalam penelitian ini, telah dibuat sebuah alat ukur yang dapat mengukur pola distribusi intensitas cahaya. Dengan memanfaatkan fenomena sifat cahaya, penulis ingin mengetahui besar nilai pola distribusi intensitas difraksi pada cahaya laser yang melewati kisi difraksi. Melalui sensor OPT101 akan terukur sinyal listrik yang nantinya akan dihubungkan ke mikrokontroler. Kemudian alat ini akan dihubungkan dengan komputer menggunakan standar komunikasi serial. Mikrokontroler diprogram menggunakan piranti lunak Bascom AVR, sedangkan komputer digunakan untuk menampilkan hasil pengukuran diprogram dengan menggunakan LabVIEW National-Instrument. Kata kunci : difraksi cahaya, sensor OPT101, mikrokontroler, LabVIEW
Abstract In this experiment, has created a measuring instrument which can measure light intensity distribution pattern. By exploiting the phenomenon of the nature of light, the author would like to know the value of the intensity distribution of the diffraction pattern on laser light that passes through a diffraction grating. Through sensors will OPT101 measurable electrical signal which will be connected to the microcontroller. Then the device will be connected to the computer using a standard serial communications. Microcontroller is programmed using software Bascom AVR, while the computer is used to display the measurement results programmed using LabVIEW National-Instrument. Keywords: diffraction of light, OPT101 sensor, microcontroller, LabVIEW
1. PENDAHULUAN
Dalam bidang ilmu pengetahuan khususnya fisika,
Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan
banyak alat ukur yang digunakan untuk mengukur
teknologi yang semakin pesat, maka kebutuhan akan
suatu besaran fisika, salah satu contohnya adalah kisi
teknologi canggih dan mempermudah manusia dalam
difraksi, alat ini dapat digunakan untuk mengukur
melakukan aktifitasnya akan semakin berkembang.
panjang gelombang dan struktur serta intensitas garis-
Selain itu teknologi yang lebih canggih memberikan
garis spektrum.[4] Oleh sebab itu, perlu adanya alat
kemudahan dalam pengoperasiannya.
yang dapat mengatasi hal tersebut, sehingga data yang
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
dihasilkan lebih akurat, salah satu contohnya adalah
sama pada kaca atau pelat logam dengan mesin
menggunakan sensor OPT101.
penggaris presisi. [4]
Dengan
memanfaatkan
fenomena
difraksi
dan
Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk
interferensi, dan dengan memvariasikan jarak antara
mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik.
layar dan sensor, akan diukur besar intensitas difraksi
OPT101
cahaya. Besar nilai intensitas yang terbaca sensor
transimpedans amplifier pada satu chip. Di dalam
tersebut akan dikonversi oleh mikrokontroler. Pada
sensor OPT101 terdapat fotodioda, op-amp, resistor
mikrokontroler, data tersebut dikonversi dengan
internal dan 2 kapasitor. Input sensor berupa intensitas
teknik ADC (Analog to Digital Converter), teknik ini
cahaya, sedangkan output sensor berupa tegangan.
berfungsi untuk mengubah besaran fisika yang terukur
Nilai
berupa bentuk sinyal listrik analog ke dalam bentuk
Sedangkan
digital. Hasil pengukuran sensor akan ditampilkan
transimpedans yang mengubah arus ke tegangan.
adalah
photodioda
monolithic
dengan
outputnya linear terhadap intensitas cahaya. Op-amp
berfungsi
sebagai
penguat
melalui sistem akusisi data yaitu LabVIEW. Berikut merupakan gambar ilustrasi yang dapat menjelaskan cara kerja alat ukur ini. Gambar 3 Sensor OPT101 Perancangan sistem instrumentasi ini terdiri dari perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Perangkat keras terdiri dari semua sistem elektronika seperti mikrokontroler sebagai pengendali Gambar 1 Blok diagram 2. METODE PENELITIAN Difraksi merupakan pembelokan gelombang disekitar celah atau halangan tajam yang terjadi apabila sebagian muka gelombang dipotong oleh halangan atau rintangan.[4]
sistem, sensor OPT101 untuk menghitung besar intensitas
hasil
difraksi,
driver
motor
untuk
pengendali kerja Motor DC. Sedangkan perangkat lunak
terdiri
atas
pemrograman
mikrokontroler
Atmega 8535 dengan menggunakan bahasa program BASCOM-AVR yang dilengkapi dengan komunikasi serial dan elemen antar-muka (interfacing) antara mikrokontroler
dengan
komputer,
menggunakan
program LabVIEW. Berikut ini merupakan blok diagram sistem instrumentasi:
Gambar 2 Difraksi cahaya Alat yang bermanfaat untuk mengukur panjang gelombang cahaya adalah kisi difraksi, yang terdiri
Gambar 4 Blok diagram sistem
atas sejumlah besar garis atau celah sejajar yang berjarak sama pada permukaan datar. Kisi dapat dibuat dengan memotong alur-alur yang berjarak
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
Dengan jarak antara kisi dengan sensor makin telihat jelas pola distribusi intensitas cahaya nya. Terlihat titik pada m = 0, dan m = 1, yang menunjukan perbedaan besar intensitas cahaya nya. b. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100 celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor = 19 cm. Dari grafik distribusi intensitas cahaya yang telihat pada ploting Labview seperti satu titik yang Gambar 5 Rancangan Alat Eksperimen Penelitian
ini
membutuhkan
sebuah
berdekatan. Tetapi terlihat nilai intensitas yang
konstruksi
berbeda dengan jarak sebelumnya. Intensitas cahaya
mekanik yang dapat menunjang pergerakan motor
nya lebih kecil, sehingga pola intensitas nya seperti
secara dua dimensi untuk mengukur dua variabel yang
merata pada beberapa titik tertentu jarak tertentu.
diperlukan dalam penelitian ini. Yang pertama adalah
Dapat diakibatkan juga oleh pengambilan data yang
jarak antara celah dengan posisi sensor sepanjang
dilakukan oleh sensor, sehingga intensitas maksimum
sumbu x dan yang kedua adalah besar intensitas
nya tidak terlihat pada gambar.
cahaya dari laser, hasil difraksi yang melintang sepanjang sumbu y. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengambilan data dilakukan dengan mengambil contoh data dari kisi difraksi dengan lebar celah 100 celah/mm, 300 celah/mm, dan 600 celah/mm. Untuk mendapatkan variasi data, pengambilan dilakukan dengan menggunakan jarak yang berbeda-beda. Adapun untuk mendapatkan nilai distribusi intensitas, dilakukan pengambilan data tiap 1 cm. Data tersebut merupakan hasil difraksi cahaya yang keluar dari kisi difraksi. a. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100 celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor = 17 cm.
Gambar 10 Grafik pola distribusi intensitas cahaya dengan x = 19 cm c. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100 celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor = 21 cm. Sebagian besar pola distribusi intensitas cahaya yang telihat pada ploting Labview telihat seperti satu titik yang berdekatan. Tetapi dengan intensitas cahaya nya yang relatif sama.
Gambar 11 Grafik pola distribusi intensitas cahaya Gambar 9 Grafik pola distribusi intensitas cahaya
dengan x = 21 cm dari kisi
dengan jarak = 17 cm dari kisi
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
d. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100
jarak 14 cm dan 18, dengan besar intensitas sebesar 3
celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor
Lux.
= 23 cm.
b. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100
Dengan jarak yang makin menjauh antara kisi dengan
mm/celah
Grafik hubungan antara jarak terhadap intensitas cahaya
sensor terlihat bahwa jarak tiap pengambilan data sangat berperan dalam penelitian ini. Makin jauh jarak pengambilan datanya makin tidak terlihat pola
Intensitas (Lux)
intensitas cahaya yang dihasilkan difraksi dari kisi.
20 15 10 5 0
Series1 0
10
20
30
Jarak (cm)
Gambar 13 Grafik pola distribusi intensitas cahaya
Gambar 15 Grafik hubungan jarak dengan intensitas
dengan x = 23 cm dari kisi
cahaya pada jarak 23 cm dari kisi
Dari data terlihat dari labview, didapatkan juga data yang lebih lengkap untuk tiap pengambilan data beserta nilai intensitas cahaya nya. a. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100
Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas
mm/celah.
jarak 16 cm, dengan besar intensitas sebesar 16 Lux.
4 3 2 1 0
Series1 10
20
30
Jarak (cm)
Gambar 14 Grafik hubungan jarak dengan intensitas
mm/celah
Grafik hubungan antara jarak terhadap intensitas cahaya Intensitas (Lux)
Intensitas (Lux)
menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada c. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100
Grafik hubungan antara jarak terhadap intensitas cahaya
0
cahaya pada jarak 23 cm dari layar. Grafik tersebut
6 4 2
Series1
0 0
10
20
30
Jarak (cm)
cahaya pada jarak 23 cm dari kisi Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas
Gambar 16 Grafik hubungan jarak dengan intensitas
cahaya pada jarak 23 cm dari layar. Grafik tersebut
cahaya pada jarak 21 cm dari kisi
menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada
Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas cahaya pada jarak 22 cm dari layar. Grafik tersebut
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada jarak 17 cm, dengan besar intensitas sebesar 4 Lux. Hasil
distribusi
intensitas
menunjukkan
bahwa
intensitas maksimum terdapat pada jarak 17-23 cm
Dengan λpercobaan = 9.52381.E-07 m, dapat diketahui kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m.
dari sumbu Y, atau bisa dikatakan ditengah sumbu tersebut. Perbedaan intensitas menunjukkan bahwa perbedaan titik pengambilan data yang berbeda. Pengambilan data yang dilakukan tiap 1 cm, dapat
λpercobaan − λteori ∗ 100% λteori 9.52. E − 07 − 6.5. ! − 7 Kes. relatif = ∗ 100% 6,5. ! − 7 Kes. relatif =
mengakibatkan intensitas maksimum tidak terukur
Kes. relatif = 46.52 %
dengan sempurna. Cahaya laser yang dihasilkan
Untuk lebar kisi = 300 mm/celah didapatkan
menunjukkan
perhitungan:
pola
titik,
sehingga
intensitas
maksimum didapat apabila cahaya tersebut benarbenar mengenai sensor. Dari
grafik
tersebut,
dapat
dihitung
panjang
gelombang laser yang digunakan. Perhitungan dapat dilakukan dengan menggunakan rumus : d sin θ = m λ
(1)
dengan : d = jarak antar celah (m) θ = sudut difraksi m = orde (0,1,2,3,4,5) λ = panjang gelombang (m) Dikarenakan yang diketahui dari penelitian ini hanya panjang lintasan nya. Persamaan diatas, dapat diganti menjadi d b/x = m λ
(2)
dengan : b = jarak dari titik pusat ke pola difraksi menggunakan
variabel
tersebut,
dapat
ditentukan besar λ yang digunakan dalam penelitian ini: Lebar kisi d = 1/N N
300 0.0033333 3.333.E-06 17 2 29 23 8.695.E-07
mm mm m Lx Lx cm cm m
16 22
cm cm
Dengan λpercobaan = 8.69565.E-07 m, dapat diketahui kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m. λpercobaan − λteori ∗ 100% λteori 8.695. E − 07 − 6.5. ! − 7 Kes. relatif = ∗ 100% 6,5. ! − 7 Kes. relatif =
Kes. relatif = 33.77 %
x = jarak layar ke kisi Dengan
Lebar kisi d = 1/N N d d θ0 θ1 Y X λpercobaan
d d θ0 θ1 Y X
100 0.01 1.0.E-05 5 4 29 21
λpercobaan
9.523.E-07
mm mm m Lx Lx cm cm m
17 19
cm cm
Untuk lebar kisi = 600 mm/celah didapatkan perhitungan: Lebar kisi d = 1/N N 600 mm d 0.00166667 mm d 1.6667.E-06 m θ0 4 Lx 16 cm θ1 2 Lx 3 cm Y 29 cm X 23 cm λpercobaan 9.420.E-07 m
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
Dengan λpercobaan = 8.69565.E-07 m, dapat diketahui kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m. λpercobaan − λteori Kes. relatif = ∗ 100% λteori 9.420. E − 07 − 6.5. ! − 7 Kes. relatif = ∗ 100% 6,5. ! − 7 Kes. relatif = 44.92 % Dengan besar kesalahan yang didapatkan dari perhitungan, didapatkan kesalahan yang besar, 33.77 44,92 %. Angka tersebut didapat dari perbandingan antara panjang gelombang laser sebesar 6.5E-7. Besarnya kesalahan yang didapatkan disebabkan oleh pengambilan data yang dilakukan dengan mengambil intensitas tiap 1 cm. Intensitas yang akan terukur tidak menunjukkan titik sesungguhnya dari hasil difraksi
= 9.42029.E-07, dengan besar kesalahan relatif sebesar = 44.92 %. DAFTAR ACUAN [1]Beiser, Arthur. Konsep Fisika Modern (Houw Liong, Penerjemah), 3rd Edition. Jakarta: Erlangga. [2]Jenkins, Francis A. & White, Harvey E. Fundamental Of Optics.1981. New York: Mc GrawHill Book Company. [3]Sarojo, Ganijanti Aby.Gelombang dan Optika.2011. Jakarta:Salemba Teknika. [4] Tipler, Paul A. Fisika untuk Sains dan Teknik (Bambang Soegijono, Penerjemah). 3rd Edition, Cetakan 1. Jakarta: Erlangga. [5]http://staff.ui.ac.id/internal/040603019/material/D CMotorPaperandQA.pdf [18 Juni 2012, pukul 10.45
cahaya tersebut.
WIB ] [6]http://digilib.petra.ac.id [19 September 2012, pukul
4. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan dapat
19.40 WIB) [7]http://www.scribd.com/doc/95731167/Rotary-
disimpulkan bahwa : • Untuk lebar kisi = 100 mm/celah, distribusi intensitas maksimum yang dihasilkan berkisar antara 3-11 Lux. • Untuk lebar kisi = 300 mm/celah, distribusi intensitas maksimum yang dihasilkan berkisar antara 3-51 Lux. • Untuk lebar kisi = 600 mm/celah, distribusi intensitas yang dihasilkan berkisar antara 3-13 Lux. Untuk pengambilan contoh perhitungan distribusi intensitas cahaya, didapatkan: • Untuk lebar kisi = 100 mm/celah, panjang gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan = 9.52381.E-07, dengan besar kesalahan relatif sebesar = 46.52 %. • Untuk lebar kisi = 300 mm/celah, panjang gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan = 9.52381.E-07, dengan besar kesalahan relatif
Encoder ( 12 Agustus 2012, pukul 15.50 WIB.) [8]http://konversi.wordpress.com/2009/06/12/sekilasrotary-encoder/ [9] http://fahmizaleeits.wordpress.com [10]http://www.hvwtech.com/products_view.asp?Pro ductID=343 [11]http://lab.binus.ac.id/pk/fileforum/sensortranduser [12] Rachmanto, Arif. Skripsi. Sistem Pengukur Panjang Fokus Lensa Cekung Berbasis Mikrokontroler.Depok: Perpustakaan Fisika UI. [13]Asmoro, Vani Ardi. Skripsi. Sistem Detektor Pola Cincin Difraksi Untuk Menentukan Diameter Celah Sirkular Berbasis Mikrokontroler. Depok: Perpustakaan Fisika UI. [14] Iskandar, Nur Ilham. Skripsi. Alat Ukur Panjang Gelombang Cahaya Tampak dengan Metode Kisi Difraksi. Depok: Perpustakaan Fisika UI.
sebesar = 33.77 %. • Untuk lebar kisi = 600 mm/celah, panjang gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
