PEMETAAN BEBAN OLEH BIDANG SERAGAM DENGAN METODE BENDING LOSS AKIBAT GRATING PADA SERAT OPTIK Mahmudah Salwa Gianti*, Ahmad Marzuki*, Stefanus Adi Kristiawan** *Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam **Prodi Teknik Sipil, Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Jalan Ir. Sutami 36 A, Kentingan, Surakarta, 57126, Jawa Tengah, Indonesia Email :
[email protected]
Abstrak Pemetaan telah diketahui sebagai penggambaran suatu wilayah. Pemetaan tidak terbatas hanya untuk wilayah geografi, namun juga dalam berbagai bidang seperti biomekanik dan aplikasi sensor. Prinsip kerja sensor tekanan berbasis serat optik ini memanfaatkan adanya atenuasi atau rugi-rugi yang diakibatkan oleh tekanan yang membuat serat optik mengalami pembengkokan (bending) dengan metode goresan (grating) pada serat optik. Goresan pada serat optik membuat serat optik lebih sensitif terhadap tekanan dan menghasilkan rugi-rugi yang lebih signifikan. Pengujian beban pada serat optik tertanam di dalam pad menghasilkan pemetaan posisi tiap beban uji dan hubungan antara tekanan dengan rugi-rugi yang diakibatkan oleh beban uji. Dari beberapa beban uji didapatkan hubungan bahwa rugi daya sebanding dengan tekanan yang terjadi.
Kata kunci : grating, tekanan, rugi-rugi, sensor, serat optik
I.
Kedua
Pendahuluan
alat
tersebut
dipengaruhi
Pengembangan sensor-sensor tekanan
oleh ukuran, drift, dan sensitivitas tinggi
dan pergeseran yang biasa disebut shear
terhadap suhu. Kelemahan pada kedua
and pressure sensor adalah sensor kapasitif
sensor
yang terintegrasi dan strain gauge. Satu
material yang digunakan tidak cocok
masalah
dengan kulit ketika sensor diatur untuk
pada
sensor
kapasistif
yaitu
konvensional
suseptibilitas terhadap interferensi listrik
mengukur
tekanan
karena impedansi tinggi. Starin gauge,
(Wang et al., 2005).
tersebut
dan
adalah
pergeseran[1].
membutuhkan struktur tambahan untuk
Untuk menanggulangi kekurangan
mendapatkan inti komponen pergeseran.
pada sensor-sensor konvensional, maka
dikembangkan sensor serat optik. Prinsip
pengoperasian perangkat mekanik yang
kerja sensor tekanan berbasis serat optik ini
kuat, penurunan tanah tak terduga, dll. [4].
memanfaatkan adanya atenuasi atau rugi-
Sebagai elemen sensor, serat optik
rugi yang diakibatkan oleh tekanan yang
digunakan dalam sistem tersebut karena
membuat
parameter
serat
pembengkokan
optik
mengalami
(bending).
Rugi-rugi
massa
memungkinkan
dimensi
menempatkan
yang mereka
merupakan pelemahan daya yang dibawa
dalam berbagai desain bangunan tanpa
oleh cahaya. Pembengkokan fiber optik ini
mengubah
menyebabkan cahaya yang merambat di
operasional dari struktur[4].
karakteristik
teknis
dan
dalamnya menjadi berbelok dari arah
Perambatan cahaya pada serat optik
transmisi dan hilang. Pada penelitian ini
menggunakan prinsip pemantulan internal
dikembangkan prototipe sensor tekanan
sempurna. Cahaya yang merambat menuju
beserta pemetaan tekanannya.
bidang perbatasan terpantul kembali ke dalam serat optik jika sudut datangnya
Tinjauan Pustaka Sharon, dkk., mengatakan sensor
lebih besar dari sudut kritis. Dengan cara
adalah suatu peralatan yang berfungsi
optik melalui serangkaian pemantulan,
untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-
seperti yang diilustrasikan pada Gambar
sinyal yang berasal dari perubahan suatu
2.1.
II.
energi seperti energi listrik, energi fisika, energi
kimia,
mekanik
dan
energi
biologi, [2]
sebagainya .
energi
ini cahaya dapat merambat di dalam serat
Gambar 2.1 menunjukkan bahwa cahaya yang datang semakin besar karena
Menurut
Instrument Society of America, sensor merupakan
sebuah
perangkat
yang
memberikan output yang dapat digunakan dalam merespon ukuran yang ditentukan. Output mendefinisikan kuantitas listrik dan ukur sebagai jumlah fisik, properti, atau kondisi yang diukur[3]. Pemantauan
sehari-hari
tentang
keadaan struktur beban dan basa bangunan memungkinkan
identifikasi
cepat
dan
penilaian dari beban yang terjadi, misalnya sebagai akibat dari menempatkan alat berat,
Gambar 2. 1 Perambatan Cahaya dalam Serat Optik
memasuki medium yang indeks biasnya lebih rendah. Sudut datang dalam core meningkat dan pada akhirnya sudut bias mencapai 900. Hal ini menyebabkan cahaya dibiaskan sepanjang perbatasan medium core dan cladding. Besarnya sudut kritis dapat dihitung dengan mengasumsikan
sudut bias menjadi 900. Dari hukum Snellius dapat ditulis sebagai berikut [5]: sin
=
sin 900
(2.1)
III. a.
Metodologi Diagram Alir
Bend-Loss merupakan salah satu
Persiapan
teknik yang dipilih untuk sensor geser dan
alat dan
tekanan. Teknik ini simpel dan efektif untuk
mendeteksi
tekanan
yang
Pembuatan program dengan
menyebabkan deformasi serat optik. Prinsip
Pembuatan sensor
kerja sensor ini adalah tergantung pada kekuatan
transmition
loss
Pengolahan data dengan software
yang
menyebabkan kopling di antara perbedaan
Pengambilan data
penyebaran mode core dan dari mode core Analisis
ke mode radiasi. Di bawah ini adalah keadaan dimana r/ΔR bernilai kecil, maka persamaan
Kesimpulan
atenuasi intensitas cahaya
adalah
Gambar 3. 1. Diagram alir penelitian
(
) *(
) ( )+
dimana r adalah jari-jari core,
(2.2) adalah
b.
Prosedur Kerja Perangkat yang
digunakan
pada
prototipe sensor maping tekanan berbasis
≈2
serat optik adalah sumber cahaya, sensor
≈ ∞) R adalah jari-
tekanan serat optik, detektor, Arduino dan
jari kelengkungan pada bending dan Δ
PC. Input berupa cahaya diterima oleh
indeks bias (untuk parabolic profile, dan untuk step profile,
adalah perbedaan indeks bias antara core dan cladding. Dasar persamaan ini adalah bahwa
bend-loss
dapat
ditingkatkan
(intensitas atenuasi meningkat) dengan perbedaan indeks bias yang kecil antara core dan cladding atau dengan serat optik dengan jari-jari core yang lebih besar[1].
detektor yang berjalan melalui serat optik. Serat optik mengalami modulasi berupakan tekanan yang menyebabkan perubahan intensitas. Output dari serat optik dibaca oleh detektor kemudian masuk ke Arduino dan ditampilkan oleh PC yang berisi program ARDUINO. Data yang didapat dari program tersebut diolah menjadi grafik menggunakan kemudian
software
dibuat
ORIGIN
pemetaan
menggunakan software MATLAB.
dan kontur
c.
Penggoresan Fiber Penggoresan ini dilakukan dengan
alat yang terdiri atas dua buah mikrometer sekrup
yang
diletakkan
tegak
lurus,
menggunakan penopang berbahan akrilik dan pisau pemotong yang berada dibawah
Gambar 3. 5 Seperangkat sensor tekanan
kendali Mikrometer. Pemilihan banyaknya goresan (grating) dan kedalaman goresan adalah
karena
semakin
besar
jumlah
goresan dan semakin dalam goresannya, maka semakin banyak cahaya yang hilang atau keluar dari serat optik yang berati semakin
banyak
sensitivitas serat
loss
daya
sehingga
optik akan semakin
besar[6].
Serat optik yang menjulur dari pad masing-masing dimasukkan pada sumber cahaya dan detektor cahaya yang berada dalam kotak hitam, ditunjukkan oleh Gambar
3.5.
Detektor
terhubung
ke
Arduino sebagai pengubah sinyal analog menjadi sinyal digital (ADC). Data yang diterima arduino kemudian ditampilkan dalam PC yang berisi program pengolahan data. Rangkaian sebagaimana terlihat pada Gambar 3.5. e.
Pengujian Beban Pengambilan
data
ini
dilakukan
dengan meberi beban pada pad seperti Gambar 3.12. Data diambil dalam waktu masing-masing
sepuluh
detik
dan
menghasilkan nilai loss bergantung pada beban yang diberikan pada pad. Ketika Gambar 3. 2 Alat penggores fiber
d.
Perangkat Pemetaan Beban
beban diletakkan, detektor akan menerima intensitas
cahaya
yang
dibanding tanpa beban.
lebih
rendah
beban. Seperti terlihat pada Gambar 4.1, dimana bagian A menunjukkan sinar yang ditransmitansikan
sampai
ke
detektor
terpantul sempuna. Bagian B menunjukkan bahwa
terjadi
loss
yang
diakibatkan
grating, dan bagian C menunjukkan bahwa terjadi loss yang diakibatkan oleh grating dan bending akibat penekanan pada pad. Data yang diterima oleh detektor diteruskan ke ADC, dalam penelitian ini Gambar 3.6 Pemberian beban pada pad
menggunakan
Arduino
Mega
2560
Pegurangan intensitas yang terjadi
kemudian ditampilkan pada PC. Data yang
adalah karena terjadi loss serat optik pada
peroleh dikelompokkan setiap pinnya untuk
bagian
yang semula
dibuat menjadi data tabel tengangan awal
terpantul sempurna kemudian berbelok dari
dan data tabel tegangan akhir. Nilai loss
arah
seperti
yang didapat untuk mapping merupakan
3.7.
nilai pengurangan dari tegangan awal
grating. Cahaya
transmisi
ditunjukkan
dan oleh
hilang Gambar
Berkurangnya intensitas tergantung pada
terhadap tegangan akhir.
kekuatan transmition loss.
a.
IV.
Pengujian Beban dan Pemetaan
Hasil dan Pembahasan
Gambar 4.1 (a) skema loss pada serat optik grating dimana cahaya keluar melalui celah posisi grating (b) skema loss pada serat optik grating dengan tekanan (bending)
Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa nilai intensitas menurun saat serat optik diberi tekanan sebagai akibat dari
Gambar 4. 2 Posisi beban 0,2kg pada pad
Dari Gambar 4.2, terlihat bahwa beban menekan pad tepatnya pada pin A0, A1 dan A10. Data menunjukkan bahwa pin
A0,
A1
dan
A10
mengalami
loss.
Gambar 4.4 Posisi beban 0,2kg pada pad Gambar 4. 1 Kontur beban 0,2kg pada pad yang menunjukkan pemetaan beban
Sesuai Gambar 4.3, daerah berwarna merah merupakan loss paling besar yang menunjukkan sedangkan
titik daerah
berat
benda
berwarna
uji biru
merupakan loss paling kecil dimana tidak terjadi loss pada serat optik. Gradasi warna dari merah ke biru diperlihatkan oleh
Gambar 4. 5 Posisi beban 1,2kg pada pad
colorbar disampingnya yang menunjukkan nilai loss yang terjadi saat beban diuji. b.
Perbandingan Beban dan Tekanan Gaya gravitasi selalu menuju pusat
bumi, maka gaya gravitasi yang dialami oleh tiap-tiap partikel juga mengarah ke pusat bumi dan resultan dari semua gaya tersebut berada pada titik tertentu, yang telah disebut sebagai titik berat benda. Titik ini merupakan sebuah pusat distribusi berat, maka dari itu akan memiliki gaya tekan yang lebih tinggi yang mengakibtakan loss yang tinggi pula pada sensor serat optik ini.
Gambar 4. 6 Loss daya untuk beban 0,2kg dengan diameter penekan 2,2cm
Loss diambil dari nilai terbesar pada setiap beban dengan nilai loss beban 0,2kg; 0,7kg; 1,2kg; 2,2kg yang secara berturutturut nilainya adalah 0,037 dB; 0,059 dB; 0,109
dB;
0,115
dB.
Gambar
4.8
menunjukkan bahwa nilai loss semakin meningkat seiring bertambahnya tekanan mulai dari nilai 0,037 dB yaitu pada beban 0,2kg sampai beban 2,2kg. Beban 2,2kg Gambar 4.7 Loss daya untuk beban 1,2kg dengan diameter penekan 2,2cm
tentu memiliki nilai tekanan yang lebih besar dari beban 0,2kg dan menghasilkan loss yang lebih besar.
V. Desibel digunakan
(dB)
adalah
untuk
unit
Kesimpulan
yang
mengekspresikan
perbedaan relatif dalam kekuatan sinyal, seperti perhitungan loss pada serat optik ini
Pemilihan banyaknya goresan (grating) dan kedalaman goresan adalah karena semakin besar jumlah goresan dan semakin dalam goresannya, maka semakin banyak
adalah: (
)
(4.1)
cahaya yang hilang atau keluar dari serat optik yang berati semakin banyak loss daya
sehingga dalam penelitian ini, loss yang
sehingga sensitivitas serat optik akan
diakibatkan
semakin besar. Serat optik dengan metode
oleh
setiap
beban
uji
ditunjukkan oleh Gambar 4.8.
grating menghasilkan loss yang lebih sensitif
dengan
dibandingkan
bending
yang
dengan
kecil metode
makrobending. Hasil menunjukkan bahwa perubahan loss sebanding dengan beban dan dapat memetakan posisi beban dengan pusat loss berada pada pusat dimana beban diletakkan. VI. Saran Gambar 4. 8 Grafik Pengaruh tekanan terhadap loss daya
Penelitian ruangan
harus
dengan
dilakukan
cahaya
yang
dalam stabil,
sehingga tidak ada polusi cahaya yang
sehingga dapat membandingkan pemetaan
masuk secara
bentuk bidang penekannya.
tiba-tiba
pada
detektor
cahaya. Penambahan filter pada detektor akan memperhalus data yang diperoleh, sehingga hasilnya akan semakin baik. Ditambahkan penggunaan beban dengan bentuk bidang penekan yang berbeda-beda, 5] Tregubov, A.V., Svetukhin, V.V.,
VII. Daftar Pustaka
Novikov, S.G., Berintsev, A.V.,
1] Wang, W.C., Ledonx, W.R., Sangeorzan, B.J., & Reinhall, P.G. (2005). A shear and plantar pressure based on fiber-optic sensor. Journal
D
(1987).
Robotics
and
Automated Manufacturing. Pitman: London. 3] Instrument Society of America.(1975). ANSI
(The American National
Standards Institute) MC6.1. 4] Huston, D.R.; Fuht, P.L.; Udd, E. dkk.(1999). Fiber Optic Sensor for Evaluation and Monitoring of Civil Structures. SPIE, 3860, 2-11.
and Strain Sensor for Building
7-12.
Development, 42, 315-326. Sharon,
Fiber Optic Distributed Temperature
Applications. Results in Physics, 16,
of Rehabilitation Research &
2]
Prikhodko, V.V., A (2016). A Novel
6] Crisp, J & Elliot, B.(2005). Introduction to Fiber Optics. 3rd Edition. Elsevier & Newnes. Oxford. 7] Fitriyani, N. & Sunarno, H. (2013). Karakterisasi Sensor Serat Optik Plastik terhadap Temperatur Dengan Memanfaatkan
Prinsip
Kerja
Bending Loss. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh November.
