1
Pengembangan Metode Pengukuran Strain Menggunakan Serat Optik Berstruktur Singlemode-MultimodeSinglemode dan Optical Time Domain Reflectometer Hafid Erya Permana, Agus Muhamad Hatta Laboratorium Rekayasa Fotonika-Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri- Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Indonesia Email :
[email protected],
[email protected] Abstrak Pengukuran strain memiliki peranan penting di dunia industri maupun konstruksi bangunan. Sensor strain konvensional, seperti strain gauge, memiliki beberapa kelemahan dengan wiring yang rumit pada penggunaan jumlah sensor yang banyak, dapat terjadi interferensi elektromagnetik pada sinyal transmisi, dan rugi daya yang besar untuk jarak transmisi yang jauh . Sebagai alternatifnya, pada tugas akhir ini dilakukan pengembangan metode pengukuran strain menggunakan serat optik berstruktur Singlemode-Multimode-Singlemode (SMS) dan Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) yang dapat mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut. Peralatan utama yang digunakan dalam penelititan ini adalah serat optik singlemode step index, serat optik multimode graded index, fusion splicer, microdisplacement dan OTDR. Dalam penelitian ini digunakan variasi panjang serat optik multimode 4, 6, 8 dan 10 cm, serta panjang gelombang 1310 nm dan 1550 nm. Penelitian ini dilakukan dengan mengamati perubahan respon logaritmik dari OTDR, beserta rugi daya serat optik berstruktur SMS dan rugi daya total sepanjang serat optik yang digunakan saat diberikan perubahan panjang dari 0-100 µm setiap kenaikan 10 µm. Karakterisasi sensor juga dilakukan dalam penelitian ini. Berdasarkan hasil penelitian, performansi terbaik dihasilkan pada penggunaan panjang gelombang 1310 nm dan panjang serat optik multimode 8 cm, yaitu dengan sensitivitas -2,73.10-4 dB/µɛ, linearitas 0,99027 dan resolusi 3,7 µɛ untuk peninjauan rugi daya SMS atau memiliki sensitivitas -2,20.10-4 dB/µɛ, linearitas 0,97791 dan resolusi 4,5 µɛ untuk peninjauan rugi daya total. Kata kunci: pengukuran strain, serat optik berstruktur SMS, OTDR
I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang `Pengukuran strain banyak dilakukan untuk monitoring kondisi struktur bangunan, deformasi material, keretakan bangunan, termasuk aplikasinya di bidang industri. Untuk itu, telah banyak dikembangkan teknik-teknik dalam pengukuran strain. Teknik konvensional yang banyak digunakan adalah dengan menggunakan strain gauge [1],[2], yakni suatu bahan yang saat dikenai strain akan menghasilkan perubahan dalam besaran elektrik. Dengan penggunaan jumlah sensor yang banyak akan disertai kesulitan dalam wiring yang rumit. Selain itu karena tranmisi sinyal dalam bentuk sinyal listrik maka dapat terjadi interferensi elektromagnetik. Dampak kehilangan sinyal untuk jarak yang jauh juga sangat besar (rugi daya yang besar) karena sifat bahan transmisi dengan resistansi yang besar dalam jarak yang jauh. Dalam perkembangan ilmu optik atau fotonik mengenai sensor, serat optik berstruktur singlemode–multimode– singlemode (SMS) telah dikembangkan karena biayanya yang
murah dan kemudahan fabrikasinya dibandingkan dengan Fiber Brag Grating yang lebih dahulu berkembang [3]. Selain itu, serat optik digunakan karena memiliki berbagai keunggulan seperti ukurannya yang kecil, tahan terhadap interferensi elektromagnetik (EMI), pasif secara kimiawi, bandwidth yang lebar, sensitivitas yang tinggi, tidak terkontaminasi lingkungan, dan kemampuannya sebagai sensor terdistribusi maupun multipoint [4]. Serat optik berstruktur SMS dibuat dengan cara penyambungan bagian serat optik multimode pada kedua ujungnya dengan dua buah serat optik singlemode menggunakan fusion splicer. Dengan pemilihan jenis serat optik singlemode/multimode serta panjang serat optik multimode, maka dapat diperoleh berbagai karakteristik sensor [5],[6]. Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) telah banyak digunakan untuk mengevaluasi konektor dan splice, mengukur rugi daya per unit panjang, serta menunjukkan letak suatu kesalahan pada sistem jaringan serat optik disertai tampilan visual berupa respon logaritmik [7],[8]. OTDR dapat menentukan jenis event diatas pada beberapa titik (multipoint), sehingga dapat digunakan untuk sistem pengukuran multipoint. Maka pada tugas akhir ini dilakukan kajian penggunaan OTDR untuk mengukur strain pada sensor serat optik berstruktur SMS. 1.2. Perumusan Masalah Permasalahan dalam tugas akhir ini yaitu bagaimana pembuatan serat optik berstruktur SMS sebagai sensor strain serta penggunaan OTDR untuk mengukur strain yang diberikan pada serat optik berstruktur SMS? 1.3. Batasan Masalah Adapun batasan masalah pada tugas akhir ini adalah : 1. Perancangan sensor dibatasi sebagai fungsi panjang multimode. 2. Digunakan panjang gelombang 1310 nm dan 1550 nm. 3. Serat optik yang digunakan adalah singlemode step index (ITU-T Recommendation G652) dan multimode graded index( ITU-T Recommendation G651). 4. Digunakan satu sumbu pergeseran strain dalam pengujiannya. 5. Microdisplacement yang digunakan mempunyai skala pergeseran 10µm. 6. Pengujian strain dilakukan pada range perubahan panjang 0-100 µm. 7. Digunakan HP E6000A Mini –OTDR untuk pengukuran rugi daya. 8. Suhu lingkungan konstan pada suhu ruangan.
2
1.4. Tujuan Tujuan penelitian tugas akhir ini adalah untuk membuat sensor strain menggunakan serat optik berstruktur SMS dan mengembangkan teknik pengukuran strain menggunakan OTDR
(2.1) Dimana ǫ adalah strain, L0 = panjang mula-mula dan L = panjang saat dikenai strain. Pada Gambar 2.2 ditunjukkan ilustrasi obyek yang dikenai strain.
II. DASAR TEORI Pada bagian ini dibahas mengenai teori-teori yang berkaitan dangan pengerjaan tugas akhir ini, yaitu mengenai sensor, strain, serat optik, serat optik berstruktur SinglemodeMultimode-Singlemode, dan Optical Time Domain Reflectometer. 2.1 Sensor 2.1.1 Definisi Sensor Dari beberapa referensi didapatkan pengertian dari sensor seperti dibawah ini : 1. Sensor adalah suatu divais (alat) yang dapat mengukur besaran fisika dan mengubahnya ke sinyal yang dapat dibaca oleh observer atau sebuah instrumen. [9] 2. Ada 6 macam sinyal, mekanik, termal, magnetik, elektrik, kimia, dan radiasi. Dan alat yang mengubah suatu jenis sinyal ke sinyal lain disebut transducer. Sinyal yang dihasilkan dapat bermanfaat dalam bentuk yang lain. Sedangkan peralatan yang menawarkan keluaran elektrik disebut sebagai sensor. [2] 3. Sensor adalah alat (divais) yang mengubah fenomena fisis ke sinyal elektrik. Dengan demikian sensor merepresentasikan bagian dari interface antara dunia fisis dengan dunia peralatan elektrik. [1] 2.1.2 Karakteristik Sensor Sistem pengukuran pada umumnya terdapat empat elemen yang terkait di dalamnya, sehingga tujuan utama dari sistem pengukuran itu dapat tercapai, yaitu nilai variabel keluaran dari besaran yang diukur dapat teramati oleh observer. Empat elemen yang terdapat pada sistem pengukuran dapat digambarkan pada diagram blok pada Gambar 2.1.
Gambar 1 Elemen – Elemen Sistem Pengukuran [10] Keempat elemen di atas saling terkait antara satu dan yang lainnya dan merupakan urutan proses untuk merubah data sehingga menjadi suatu variabel yang dapat diukur, nilai dalam setiap elemen sistem pengukuran memiliki karakteristik - karakteristik yang perlu diperhatikan yaitu Range , Span, Linearity, Non-linearity, Sensitivity, Resolution, dan Hysteresis [10]. 2.2 Strain Strain, dalam bahasa keseharian berarti “stretching”. Pada istilah keilmiahan, pengertiannya berkembang menjadi “deformation”. Konsep dari strain sendiri termasuk kompek, tetapi linear strain dapat didefinisikan dalam Lagrangian formula [11]:
Gambar 2 Obyek yang Dikenai Strain [11] 2.3 Serat Optik 2.3.1 Definisi Serat Optik Serat Optik merupakan pemandu gelombang dielektrik yang beroperasi pada frekuensi optik. Serat optik membatasi energi elektromagnetik dalam bentuk cahaya didalam permukaannya dan memandu cahaya dalam arah paralel terhadap aksisnya [12]. 2.3.2 Bagian Serat optik Ada banyak konfigurasi pemandu gelombang optik, namun struktur yang banyak digunakan adalah single solid dielectric cylinder dengan jejari a dan indeks bias n1 atau yang dikenal sebagai core fiber. Core dilingkupi oleh cladding yang memiliki indeks bias n2 yang besarnya kurang dari n1. Cladding berfungsi mereduksi scattering loss, menambah kekuatan mekanik serat optik, dan melindungi core [12]. Selain itu juga terdapat buffer coating yang dapat melindungi serat optik dari kondisi eksternal dan kerusakan fisik [13]. Bagian-bagian serat optik ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 3 Bagian-Bagian Serat optik [13] 2.3.3 Prinsip Pemanduan Cahaya Prinsip pemanduan cahaya dalam serat optik berdasarkan total internal reflection [12]. Sudut yang menentukan terjadinya total internal reflection dinamakan sudut kritis. Sudut kritis dapat ditentukan dari hukum snellius, sehingga diperoleh (2.2) Dimana n, n1, dan n2 adalah indeks bias medium luar serat optik, indeks bias core dan indeks bias cladding secara berurutan. Sedangkan θ0,max adalah sudut penerimaan maksimum dan θc adalah sudut kritis. Maka untuk terjadi total internal reflection sudut masuknya sinar terhadap aksis serat optik besarnya harus kurang dari θ0,max, sehingga sudut yang terbentuk antara permukaan core-cladding melebihi sudut kritisnya [12]. 2.3.4 Tipe Serat optik Berdasarkan faktor struktur dan properti sistem transmisi yang sekarang banyak diimplementasikan, teknologi serat optik terbagi atas dua tipe yaitu:
3
1. Serat Optik Singlemode Serat optik singlemode merupakan teknologi serat optik yang bekerja menggunakan inti (core) serat optik yang berukuran sangat kecil yang diameternya berkisar 8 sampai 12 mikrometer seperti Gambar 2.4. Singlemode dapat membawa data dengan bandwidth yang lebih besar dibandingkan dengan serat optik multimode, tetapi teknologi ini membutuhkan sumber cahaya dengan lebar spektral yang sangat kecil pula dan ini berarti sebuah sistem yang mahal. Singlemode dapat membawa data dengan lebih cepat dan 50 kali lebih jauh dibandingkan dengan serat optik multimode. [14].
couple keluar pada ujung serat optik multimode. Kondisi tersebut dapat terjadi ketika spot size dari fundamental mode dari serat optik singlemode dan multimode benar-benar cocok dan juga tidak ada misalignment aksial pada splice (sambungan). Jika kondisi tersebut tidak dapat dipenuhi, high order mode dari serat optik multimode akan tereksitasi atau ter-coupling keluar pada input/output ujung serat optik multimode. Selanjtnya, pada serat optik multimode , saat propagation constant pada berbagai mode hampir sama, daya yang ter-couple pada keluaran serat optik singlemode diharapkan sangatlah sensitif pada beda fasa yang dibentuk oleh mode-mode pada ujung output serat optik multimode, maka kinerja atau performansi dari serat optik berstruktur SMS sangatlah tergantung pada panjang gelombang operasi dan juga panjang dari serat optik multimode [15] .
Gambar 4 Serat Optik Singlemode Step Index [14] 2. Serat optik Multimode Serat optik multimode merupakan teknologi transmisi data melalui media serat optik dengan menggunakan beberapa buah indeks cahaya di dalamya. Sinyal cahaya dalam serat optik multimode dapat dihasilkan hingga 100 mode cahaya. Ukuran core kabel Multimode secara umum adalah berkisar antara 50 sampai dengan 100 mikrometer. Biasanya ukuran NA yang terdapat pada serat optik berkisar antara 0,20 hingga 0,29. Jenis serat optik berdasarkan indeks bias core pada serat optik multimode dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu serat optik multimode step index (indeks bias core homogen), perambatan sinar pada serat optik jenis ini ditunjukkan pada Gambar 2.5, dan serat optik multimode graded index (indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil, perambatan sinar pada serat optik jenis ini ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 7 Skematik Serat Optik Berstruktur SMS [15] 2.5 Optical Time Domain Reflectometer Salah satu metode untuk mengukur attenuasi adalah menggunakan metode Optical Backscattering (Optical Time Domain Reflectometer - OTDR): pulsa-pulsa pendek cahaya di-couple di salah satu ujung serat optik. Cahaya akan terhambur ke segala arah oleh rayleigh scattering, dan sebagian kembali ke ujung serat optik dan terdeteksi seperti ditunjukkan Gambar 2.8. Dengan metode ini, dimungkinkan untuk membuat kurva attenuasi sepanjang serat optik yang berhubungan dengan local disturbances [7].
Gambar 8 Pembentukan Sinyal Backscattering [7] Gambar 5 Serat Optik Multimode Step index [14]
Pada Gambar 2.9, sinyal backscattering ditunjukkan pada sebuah skala logaritmik sepanjang serat optik. Pada ujung awal dan akhir serat optik terjadi pantulan yang memperkuat sinyal backscattering.
Gambar 6 Serat Optik Multimode Graded Index [14] 2.4 Serat Optik Berstruktur Singlemode-MultimodeSinglemode (SMS) Serat optik SMS (Single mode–Multimode–Single mode) merupakan suatu struktur yang terdiri dari sera optik singlemode yang identik yang secara aksial disambung di kedua ujung serat optik multimode seperti ditunjukkan Gambar 2.7. Pada serat optik berstruktur SMS hanya fundamental mode yang ter-couple masuk pada input dan ter-
Gambar 9 Penentuan Attenuasi dari Sinyal Backscattering [7]
4 III. METODE Pada bagian ini dijelaskan ]metodologi yang digunakan dalam penelitian ini. Metode yang dilakukan untuk mencapai tujuan dari tugas akhir ini ditunjukkan pada Gambar 10. MULAI
Perencanaan dan Perancangan Serat Optik Berstruktur SMS
Pembuatan Serat Optik Berstruktur SMS
operasinya, yaitu 1310 nm dan 1550 nm. Untuk membuat serat optik berstruktur SMS, serat optik multimode disambung diantara serat optik singlemode yang masing-masing mempunyai panjang 3,695 km. Pengujian strain dilakukan dengan memberikan perubahan panjang dari 0-100 µm pada serat optik berstruktur SMS. Sedangkan karakteristik sensor didapat dari data-data yang diambil selama pengujian, yaitu besar perubahan panjang, strain, rugi daya serat optik berstruktur SMS dan rugi daya total sepanjang serat optik. Selanjutnya juga dilakukan pengukuran strain pada serat optik berstruktur SMS yang dipasang multipoint (2 point) sepanjang serat optik.
Uji Strain
tidak Sistem bekerja
ya Uji strain dengan panjang serat optik multimode dan panjang gelombang yang berbeda
Pengambilan Data (Respon dan Rugi Daya di OTDR )
Analisa Daa Statistik , Pembahasan dan Penarikan Kesimpulan Penyusunan Laporan dan Penyampaian hasil laporan
selesai
Gambar 10.Flowchart Pengerjaan Tugas Akhir Adapun peralatan dan bahan yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah serat optik singlemode step index (ITU-T Recommendation G652) dan multimode graded index ( ITU-T Recommendation G651), fusion splicer Fujikura FSM-505, pigtail, microdisplacement, HP E6000A Mini –OTDR, fiber cleaver FITEL Nc S324, fiber stripper Cromwell ct USA dan lem Alteco. Susunan peralatan dan bahan yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 11.
4.1 Pengujian Strain dan Karakterisasi Sensor Serat Optik Berstruktur SMS untuk Pengukuran Strain Pada tahap pengujian dan pengambilan data (pengukuran), parameter-parameter pengukuran OTDR yang digunakan dalam pengukuran ini dipilih sebagai berikut : Wavelength : 1310 nm dan 1550 nm Pulsewidth : 100ns Range : 0-10 km Marking : A = 3.610 km B= 3.726 km B-A = 115.85 m Optimize : Dynamic Sampling Distance : 63,8 cm Averaging Time : 10 s . Kemudian dilakukan pengujian pada serat optik sesuai dengan panjang serat optik multimode yang akan diuji ditambah 0.25 cm serat optik singlemode dikedua ujungnya. Ujung pertama dari serat optik multimode ditambah 0.25 cm serat optik singlemode dipasang dengan lem alteco pada fixed plate, sedangkan ujung lain dipasang pada microdisplacement. Pengujian strain dilakukan dengan memberikan perubahan panjang pada serat optik berstruktur SMS yang diuji. Perubahan panjang diberikan dengan cara mengubah posisi microdisplacement setiap 10 µm dari 0 -100 µm. Pada respon logaritmik OTDR maupun dari display numerik terdapat dua hal yang diperhatikan dalam penelitian ini seperti ditunjukkan pada Gambar 13(a) , yaitu i) rugi daya yang terjadi pada serat optik berstruktur SMS, dan ii) rugi daya total sepanjang serat optik. Gambar 12(a), merupakan respon logaritmik untuk serat optik berstruktur SMS, dengan panjang serat optik multimode 4 cm dan panjang gelombang operasi 1310 nm dengan perubahan panjang 0 µm. Untuk memperjelas pembacaan dalam pengambilan data, maka dapat dilihat pada Gambar 12(b) yang merupakan hasil zooming respon dan rugi daya pada daerah marking (B-A). (a)
Gambar 11 Susunan Peralatan Penelitian Pengembangan Teknik Pengukuran strain menggunakan Serat Optik Berstruktur Singlemode-Multimode-Singlemode dan Optical Time Domain Reflectometer IV. HASIL PENELITIAN Pada bagian ini dibahas hasil pengujian dan karakteristik dari setiap serat optik berstruktur SMS yang telah dibuat yaitu dengan panjang serat optik multimode 4 cm, 6 cm, 8 cm, dan 10cm serta dengan penggunaan panjang gelombang
5
Berdasarkan Gambar 12, respon logaritmik yang terjadi adalah respon untuk non-reflective event. Rugi daya serat optik berstruktur SMS adalah sebesar 0.689 dB. Rugi daya tersebut dibatasi oleh marking A yang terletak setelah 3.610 km dan marking B yang terletak setelah 3.726 km dari ujung awal serat optik singlemode. Daerah diantara kedua marking tersebut merupakan daerah untuk serat optik berstruktur SMS (B-A=115.85 m). Pada Gambar 12(a), rugi daya total didapatkan dari kolom link budget dan baris ketiga (fiber end) yang menunjukkan sebesar 3.169 dB. Untuk membandingkan respon dari OTDR saat serat optik berstruktur SMS diberikan perubahan panjang, maka ditunjukkan Gambar 13, dengan perubahan panjang sebesar 50 µm. (a)
2
Rugi Daya SMS(dB)
Gambar 12 (a) Respon Logaritmik (b) Hasil Zooming Respon Logaritmik dan Rugi Daya Daerah Marking (B-A) pada Pengukuran Serat Optik Berstruktur SMS dengan Panjang Serat Optik Multimode 4 cm dan Panjang Gelombang 1310 nm dengan Perubahan panjang 0 µm.
Dari Gambar 13, ditunjukkan bahwa saat diberikan perubahan panjang sebesar 50 µm., rugi daya serat optik berstruktur SMS semakin kecil jika dibandingkan dengan saat sebelum diberikan perubahan panjang, yaitu 0.645 dB dibandingkan dengan 0,689 dB. Demikian halnya dengan rugi daya total yang berubah dari 3.169 dB untuk tanpa perubahan panjang menjadi 3.029 dB dengan perubahan panjang sebesar 50 µm. 4.1.1 Analisa Serat Optik Berstruktur SMS dengan Panjang Gelombang Operasi 1310 nm Data-data hasil pengukuran pada penggunaan panjang gelombang operasi 1550 nm ditunjukkan pada Gambar 14 – 17.
1.5
4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
1
0.5 0
20
40
60
80
100
Perubahan Panjang(µm)
Gambar 14 Hubungan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Perubahan Panjang pada Panjang Gelombang Operasi 1310 nm
4.5
Rugi Daya Total(dB)
(b)
4
4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
3.5
3
2.5 0
20
40
60
80
100
Perubahan Panjang(µm)
Gambar 15 Hubungan Rugi Daya Total Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Perubahan Panjang pada Panjang Gelombang Operasi 1310 nm (b) Rugi Daya SMS(dB)
2
1.5
1
0.5 0
Gambar 13 (a) Respon Logaritmik (b) Hasil Zooming Respon Logaritmik dan Rugi Daya Daerah Marking (B-A) pada Pengukuran Serat Optik Berstruktur SMS dengan Panjang Serat Optik Multimode 4 cm dan Panjang Gelombang 1310 nm pada OTDR dengan Perubahan panjang 50 µm.
4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
500
1000
1500
2000
Strain(µε)
Gambar 16 Hubungan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Strain pada Panjang Gelombang Operasi 1310 nm
6
Rugi Daya Total(dB)
4.5
4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
4
3.5
3
2.5 0
500
1000
1500
2000
2500
Strain(µε)
Gambar 17 Hubungan Rugi Daya Total Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Strain pada Panjang Gelombang Operasi 1310 nm Berdasarkan Gambar 14 – 17, rugi daya serat optik berstruktur SMS dan rugi daya total serat optik berstruktur SMS memiliki pola penurunan rugi daya yang sedikit berbeda. Hal ini terjadi karena banyak kejadian yang mungkin terjadi sepanjang total serat optik, seperti absorbsi oleh material serat optik, bending, scattering, termasuk juga rugi daya karena penggunaan serat optik berstruktur SMS [7],[8]. Kombinasi panjang serat optik multimode dan panjang gelombang operasi menentukan banyaknya moda yang terjadi sepanjang serat optik multimode. Panjang serat optik multimode, membatasi daerah terjadinya interferensi dari moda-moda yang terjadi. Jika terjadi interferensi maksimum atau yang disebut re-imaging pada panjang serat optik multimode tertentu, rugi daya serat optik berstruktur SMS paling minimum. Rugi daya akan semakin besar atau kecil tergantung dari panjang serat optik multimode yang digunakan pada panjang gelombang yang sama. Hal ini berkaitan dengan moda-moda yang hilang (terutama high-order mode) pada panjang serat optik multimode tersebut [5],[15]. Semakin menjauhi titik re-imaging semakin besar rugi daya yang terjadi. Semakin mendekati titik re-imaging semakin kecil rugi daya yang terjadi. Berdasarkan Gambar 14 - 17, pada panjang serat optik optik multimode 4 cm dan 8 cm terjadi penurunan rugi daya pada pengujian perubahan panjang sebesar 0-100 µm. Penurunan ini berarti saat diberikan perubahan panjang atau strain, akan menambah panjang awal dari serat optik berstruktur SMS, menjadikannya mendekati titik re-imaging (moda-moda yang hilang semakin sedikit). Sedangkan pada penggunaan serat optik multimode dengan panjang 6 cm dan 10 cm, rugi daya naik dengan penambahan perubahan panjang atau strain. Kenaikan rugi daya menunjukkan bahwa penambahan panjang menjauhi titik re-imaging. Karakteristik dalam suatu alat pengukuran sangat penting untuk mengetahui performansinya. Karakteristik yang ditinjau pada penelitian ini adalah range sensor, span, linieritas, sensitivitas, dan resolusi yang ditunjukkan pada Tabel 1-6. Pada Tabel 1 ditunjukkan karakteristik range sensor yang meliputi adalah range input berupa strain dan range output pada masing-masing panjang serat optik multimode. Sedangkan range input berupa perubahan panjang yaitu 0 – 100 µm.
Kemudian pada Tabel 2 ditunjukkan karakteristik span sensor untuk span input strain dan span output pada masingmasing panjang serat optik multimode. Span didapatkan dari nilai Imax – I min atau Omax–Omin,. Span input perubahan panjang adalah 100 µm. Tabel 1 Range Input Strain, Range Output Rugi Daya SMS, dan Range Output Rugi Daya Total dengan Panjang Gelombang Operasi 1310 nm Range Range Output Range Output L Input strain Rugi Daya SMS Rugi DayaTotal (cm) (µɛ) (dB) (dB) 4 0 - 2000 0,566 - 0,687 2,910 - 3,173 6
0 - 1538,5
0,606 - 0,813
2,945 – 3,151
8
0 - 1176,5
1,622 – 1,948
4,132 – 4,375
10
0 - 952,4
1,762 – 1,845
4,230 – 4,316
Tabel 2 Span Input Strain, Span Output Rugi Daya SMS, dan Span Output Rugi Daya Total dengan Panjang Gelombang Operasi 1310 nm Span Output Span Output L Span Input Rugi Daya Rugi Daya (cm) Strain (µɛ) SMS (dB) Total (dB) 4 2000 0,121 0,263 6
1538,5
0,207
0,206
8
1176,5
0,326
0,243
10
952,4
0,083
0,086
Berdasarkan Tabel 1 dan 2, semakin besar panjang serat optik multimode, semakin kecil range dan span input berupa strain. Namun panjang serat optik multimode 8 cm menghasilkan range output dan span output terbesar baik berupa rugi daya serat optik berstruktur SMS ataupun rugi daya total sepanjang serat optik yang digunakan, yaitu sebesar 0,326 dB dan 0,243 dB secara berurutan untuk span output. Selanjutnya,linieritas dapat ditentukan berdasarkan koefisien korelasi pada hasil pengukuran. Untuk mengetahui sensitivitas sensor, dapat ditinjau dari slope yang dihasilkan berdasarkan hasil pengukuran dari masing-masing panjang serat optik multimode. Slope tersebut didekati dengan menggunakan regresi linier. Resolusi didapatkan dari nilai terkecil yang dapat dideteksi OTDR, yaitu sebesar 0,001 dB, dibandingkan dengan sensitivitas sensor. Sensitivitas, linieritas, dan resolusi yang dihasilkan ditunjukkan pada Tabel 3 - 6. Tabel 3 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS sebagai Fungsi Perubahan Panjang dengan Panjang Gelombang Operasi 1310 nm L Sensitivitas Resolusi Linieritas (cm) (dB/µm) (µm) 4 -1,295.10-3 0,98816 0,772 6 2,116.10-3 0,98733 0,472 8 -3,209.10-3 0,99027 0,311 10 0.897.10-3 0,97717 1,114
7
1.2
Rugi Daya SMS(dB)
Tabel 4 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS sebagai Fungsi Strain dengan Panjang Gelombang Operasi 1310 nm Sensitivitas Resolusi L Linieritas (cm) (dB/µɛ) (µɛ) 4 -0,58.10-4 0,98816 17,2 6 1,38.10-4 0,98733 7,3 8 -2,73.10-4 0,99027 3,7 10 0,94.10-4 0,97717 10,6
1
4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
0.8 0.6 0.4 0.2 0
20
40
60
80
100
Perubahan Panjang(µm)
Jika kita meninjau dari rugi daya serat optik berstruktur SMS dengan penggunaan panjang gelombang operasi 1310 nm, maka panjang serat optik multimode 8 cm memiliki sensitivitas tertinggi dibandingkan dengan yang lain, yaitu sebesar -3,209.10-3 dB/µm atau -2,73.10-4 dB/µɛ. Resolusi yang dihasilkan juga paling baik yaitu sebesar 0,311 µm atau 3,7 µɛ Pada peninjuan rugi daya total, dengan panjang serat optik multimode 8 cm dihasilkan sensitivitas yang paling, yaitu sebesar -2,587.10-3 dB/µm atau -2,20.10-4 dB/µɛ dengan resolusi 0,386 µm atau 4,5 µɛ secara berurutan. Linieritas pada penggunaan panjang ini juga paling baik, yaitu 0,99027 untuk hubungan rugi daya serat optik berstruktur SMS dengan perubahan panjang maupun strain, dan 0,97791 untuk hubungan rugi daya total serat optik berstruktur SMS dengan perubahan panjang maupun strain. 4.1.2 Analisa Serat Optik Berstruktur SMS dengan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm Data-data hasil pengukuran pada penggunaan panjang gelombang operasi 1550 nm ditunjukkan pada Gambar 18 – 21.
Rugi Daya Total(dB)
2.8 2.6 4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
2.4 2.2 2 1.8 0
20
40
60
80
100
Perubahan Panjang(µm)
Gambar 19 Hubungan Rugi Daya Total Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Perubahan Panjang pada Panjang Gelombang Operasi 1550 nm 1.2
Rugi Daya SMS(dB)
Tabel 6 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Total sebagai Fungsi Strain dengan Panjang Gelombang Operasi 1310 nm L Sensitivitas Resolusi Linieritas (cm) (dB/µɛ) (µɛ) 4 -1,03.10-4 0,95984 9,7 6 1,43.10-4 0,96055 6,9 8 -2,20.10-4 0,97791 4,5 10 0,97.10-4 0,97583 10,3
Gambar 18 Hubungan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Perubahan Panjang pada Panjang Gelombang Operasi 1550 nm
1 4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
0.8 0.6 0.4 0.2 0
500
1000
1500
2000
Strain(µε)
Gambar 20 Hubungan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Strain pada Panjang Gelombang Operasi 1550 nm 2.8
Rugi Daya Total(dB)
Tabel 5 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Total sebagai Fungsi Perubahan Panjang dengan Panjang Gelombang Operasi 1310 nm L Sensitivitas Resolusi Linieritas (cm) (dB/µm) (µm) 4 -2,283.10-3 0,95984 0,438 6 2,202.10-3 0,96055 0,454 8 -2,587.10-3 0,97791 0,386 10 0,923.10-3 0,97583 1,083
2.6 4 cm 6 cm 8 cm 10 cm
2.4 2.2 2 1.8 0
500
1000
1500
2000
Strain(µε)
Gambar 21 Hubungan Rugi Daya Total Serat Optik Berstruktur SMS terhadap Strain pada Panjang Gelombang Operasi 1550 nm Berdasarkan Gambar 18 – 21, terjadi perbedaan perubahan rugi daya total atau rugi daya serat optik berstruktur SMS pada penggunaan masing-masing panjang serat optik
8
multimode pada panjang gelombang 1550 nm jika dibandingkan dengan panjang gelombang operasi 1310 nm. Hal ini membuktikan bahwa panjang gelombang operasi mempengaruhi moda-moda yang merambat didalam serat optik. Dengan demkian titik re-imaging atau tempat terjadinya interfernsi maksimum juga berubah pada penggunaan panjang gelombang yang berbeda.. Sebagai karakteristik sensor, range input perubahan panjang sensor serat optik berstruktur SMS yaitu 0 – 100. Hal ini berarti span input untuk perubahan panjang adalah 100 µm. Range input berupa strain dan range output pada masingmasing panjang serat optik multimode ditunjukkan Tabel 5. Sedangkan span input strain dan span output dari sensor ditunjukkan Gambar 6 Tabel 7 Range Input Strain, Range Output dan Range Output Rugi Daya Total Gelombang Operasi 1550 nm Range Output L Range Input Rugi Daya (cm) strain (µɛ) SMS (dB) 4 0 - 2000 1,014 – 1,172
Rugi Daya SMS, dengan Panjang Range Output Rugi Daya Total (dB) 2,514 – 2,648
6
0 - 1538,5
0,468 – 0,574
1,867 – 1,982
8
0 - 1176,5
0,431 – 0,560
1,989 – 2,117
10
0 - 952,4
0,391 – 0,602
1, 803 – 2,032
Tabel 8 Span Input Strain, Span Output Rugi Daya SMS, dan Span Output Rugi Daya Total dengan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm. Span Output Span Output L Span Input Rugi Daya Rugi Daya (cm) strain (µɛ) SMS (dB) Total (dB) 4 2000 0,158 0,134 6
1538,5
0,106
0,115
8
1176,5
0,129
0,128
10
952,4
0,211
0,229
Panjang serat optik multimode 10 cm menghasilkan range output terbesar dengan span output sebesar 0,211 dB untuk rugi daya serat optik berstruktur SMS dan sebesar 0,229 dB untuk rugi daya total yang terjadi sepanjang serat optik yang digunakan. Hal tersebut ditunjukkan Tabel 5 dan 6. Selanjutnya juga ditunjukkan sensitivitas dan linieritas dari masing-masing serat optik berstruktur SMS pada Tabel 7 dan 8. Tabel 9 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS sebagai Fungsi Perubahan Panjang dengan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm L Sensitivitas Resolusi Linieritas (cm) (dB/µm) (µm) 4 -1,585.10-3 0,98631 0,630 6 -1,142.10-3 0,99044 0,875 8 1,215.10-3 0,99289 0,823 10 2,086.10-3 0,94485 0,479
Tabel 10 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS sebagai Fungsi Strain dengan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm L Sensitivitas Resolusi Linieritas (cm) (dB/µɛ) (µɛ) 4 -0,71.10-4 0,98631 14,0 6 -0,74.10-4 0,99044 13,5 8 1,03.10-4 0,99289 9,7 10 2,19.10-4 0,94485 4,6 Tabel 11 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Total sebagai Fungsi Perubahan Panjang dengan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm L Sensitivitas Resolusi Linieritas (cm) (dB/µm) (µm) 4 -1,329.10-3 0,96980 0,752 6 -1,115.10-3 0,99577 0,896 8 1,168.10-3 0,98748 0,856 10 2,238.10-3 0,94939 0,446 Tabel 12 Sensitivitas, Linieritas, dan Resolusi berdasarkan Rugi Daya Total sebagai Fungsi Strain dengan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm L Sensitivitas Resolusi Linieritas (cm) (dB/µɛ) (µɛ) 4 -0,60.10-4 0,96980 16,7 6 -0,73.10-4 0,99577 13,8 8 0,99.10-4 0,98748 10,0 10 2,35.10-4 0,94939 4,3 Berdasarkan Tabel 9 - 12, serat optik berstruktur SMS dengan panjang serat optik multimode 10 cm memiliki sensitivitas yang paling tinggi dibandingkan dengan yang lain, yaitu sebesar 2,086.10-3 dB/µm atau 2,19.10-4 dB/µɛ dengan resolusi sebesar 0,479 µm atau 4,6 µɛ, namun linieritasnya paling kecil, yaitu sebesar 0,94485.Untuk peninjauan rugi daya total, penggunaan panjang serat optik multimode 10 cm juga dihasilkan sensitivitas yang paling tinggi, yaitu sebesar 2,238.10-3 dB/µm atau 2,35.10-4 dB/µɛ dengan resolusi sebesar 0,446 µm atau 4,3 µɛ dan linieritas sebesar 0,94939. Namun jika dibandingkan dengan panjang serat optik multimode 8 cm pada panjang gelombang 1310 nm, baik sensitivitas, range, ataupun linieritas dari panjang serat optik multimode 10 cm pada panjang gelombang 1550 nm ini tidak lebih baik. Keunggulannya hanya pada rugi daya total yang terjadi lebih kecil. Hal ini dapat dipahami seperti apa yang ada spesifikasi serat optik ataupun dalam teori bahwa daya absorbsi material merupakan fungsi dari panjang gelombang yang dilewatkan pada material [12]. Dengan demikian, pada penggunaan panjang gelombang 1310 nm, panjang serat optik multimode 8 cm memiliki performansi yang paling baik, sedangkan pada panjang gelombang 1550 nm, performansi terbaik dimiliki panjang serat optik multimode 10 cm. 4.2 Serat Optik Berstruktur SMS Multipoint Penelitian ini dilakukan sebagai penelitian awal untuk dapat dilakukan pengukuran strain multipoint menggunakan OTDR. Maka pada bagian ini juga dilakukan penelitian pada
9
(a) SMS 1
Hasil pengujian untuk serat optik berstruktur SMS multipoint dengan panjang serat optik multimode 10 cm dan panjang gelombang operasi 1550 nm ditunjukkan Gambar 23 dan 24. 1
Rugi Daya SMS (dB)
serat optik berstruktur SMS dengan pemasangan secara multipoint. Penelitian dilakukan dengan penggunaan panjang serat optik multimode 10 cm pada panjang gelombang 1550 nm dengan pertimbangan rugi daya total yang kecil. Hasil penelitian dengan penggunaan 2 serat optik optik multimode yang dipisahkan sejauh 3,695 km, dengan panjang total serat optik yang digunakan 11,085 km ditunjukkan Gambar 22
SMS 2
SMS 1 SMS 2
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0
20
40
60
80
100
Perubahan Panjang(µm)
Gambar 23 Hubungan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS 1 dan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS 2 terhadap Perubahan Panjang pada Panjang Serat Optik Multimode 10 cm dan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm
(b)
Rugi Daya SMS(dB)
1 SMS 1 SMS 2
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0
200
400
600
800
1000
Strain(µε)
Gambar 24 Hubungan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS 1 dan Rugi Daya Serat Optik Berstruktur SMS 2 terhadap Strain pada Panjang Serat Optik Multimode 10 cm dan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm
(c)
Pada Gambar 23 dan 24 diperoleh bahwa serat optik berstruktur SMS1 dan SMS 2 memilliki pola perubahan rugi daya yang berbeda karena terdapat error pengukuran panjang serat optik multimode. Hal ini disebabkan kurang presisinya pemotongan serat optik multimode dalam orde mikrometer. Perbedaan panjang serat optik multimode dalam orde mikrometer, berarti memiliki posisi yang berbeda dari titik reimaging sehingga akan dihasilkan rugi daya yang berbeda Rugi daya serat optik berstruktur SMS 1 dan SMS 2 menunjukkan linieritas pada range input 0-100 µm atau 0-952,4 µɛ. V. KESIMPULAN DAN SARAN
Gambar 22 (a) Respon Logaritmik Pengukuran Serat Optik Berstruktur SMS Multipoint (b) Hasil Zooming SMS 1 (c) Hasil Zooming SMS 2 dengan Panjang Serat Optik Multimode 10 cm dan Panjang Gelombang Operasi 1550 nm Berdasarkan Gambar 11, terjadi 2 slope karena adanya 2 serat optik multimode sepanjang serat optik singlemode. Slope pertama menunjukkan perubahan daya yang ditransmisikan karena serat optik berstruktur SMS 1, sedangkan slope kedua menunjukkan perubahan daya yang ditransmisikan karena serat optik berstruktur SMS 2. Pengujian dalam penelitian ini dilakukan dengan memberikan strain yang sama pada waktu yang sama dengan menggunakan satu microdisplacement.
5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil yang telah didapatkan serta meninjau kembali permasalahan beserta batasannya, tujuan, dapat dirumuskan dua kesimpulan yang diperoleh dalam pelaksanaan tugas akhir ini, yaitu: 1. Telah dilakukan pembuatan sensor strain menggunakan serat optik berstruktur SMS dan pengembangan teknik pengukuran strain menggunakan HP E6000A Mini – OTDR. Sensor strain dapat bekerja dengan baik untuk setiap panjang serat optik multmode 4, 6, 8, dan 10 cm dengan panjang gelombang 1310 dan 1550 nm. 2. Pada penggunaan panjang gelombang 1310 nm, panjang serat optik multimode 8 cm memiliki performansi yang paling baik dengan sensitivitas -2,73.10-4 dB/µɛ, linearitas
10
0,99027 dan resolusi 3,7 µɛ untuk peninjauan rugi daya serat optik berstruktur SMS atau sensitivitas -2,20.10-4 dB/µɛ dengan linearitas 0,97791 dan resolusi 4,5 µɛ untuk peninjuan rugi daya total. Sedangkan pada panjang gelombang 1550 nm performansi terbaik dimiliki panjang serat optik multimode 10 cm, dengan sensitivitas 2,19.10-4 dB/µɛ, linearitas 0,94485 dan resolusi 4,6 µɛ untuk peninjauan rugi daya serat optik berstruktur SMS atau sensitivitas 2,35.10-4 dB/µɛ dengan linearitas 0,94939 dan resolusi 4,3 µɛ untuk peninjuan rugi daya total. 3. Serat optik berstruktur SMS dan OTDR dapat digunakan untuk pengukuran strain multipoint. Pada penelitian ini telah dilakukan pengukuran strain pada 2 titik pengukuran dengan menggunakan SMS 1 dan SMS 2.
[8]
[9] [10] [11]
[12] [13] [14]
5.2 Saran Dalam tugas akhir ini, terdapat beberapa hal yang perlu diperbaiki baik dari tinjauan teoritis maupun aplikatif. Oleh sebab itu, validasi dan penelitian lebih lanjut sangat diperlukan. Saran yang dapat diberikan penulis terkait dengan pengembangan penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Perlu dikaji penggunaan serat optik multimode step index pada sensor strain serat optik berstruktur SMS dengan pengukuran menggunakan OTDR. 2. Perlu dilakukan pemotongan serat optik multimode yang lebih presisi dalam orde mikrometer agar hasil fabrikasi sensor memiliki karakteritik yang sama. 3. Untuk pengukuran strain pada serat optik berstruktur SMS multipoint, dipertimbangkan kembali penggunaan panjang serat optik multimode dan panjang gelombang operasi yang cocok pada selisih jarak peletakan serat optik multimode yang lebih pendek untuk mengetahui seberapa banyak serat optik multimode yang dapat dipasang pada dynamic range tertentu. VI. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
S.Wilson, Jon. ”Sensor Technology Handbook”. Oxford : Elsevier, 2004. PallaÁs-Areny, Ramon. ”Sensors and Signal Conditioning-2nd Edition”. New York : A WileyInterscience publication, 2001.
[3]
Yin,S , Ruffin,P , Yu,F. “Fiber Optic Sensors”. Boca Raton : CRC Press, 2008
[4]
Gholamzadeh, Bahareh and Nabovati,Hooman. “Fiber Optic Sensors”. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2008. Wang,Qian, Farrell,Gerald and Yan,Wei. “Investigation on Singlemode-Multimode-Singlemode Fiber Structure”. IEEE Trans. Journal of Lightwave Technology, vol. 26, No. 5, March 1, 2008. Hatta,Agus M et al. “Strain sensor based on a pair of Singlemode-Multimode–Singlemode Fiber Structures in a Ratiometric Power Measurement Scheme”. Optical Society of America. Applied Optics, vol. 49, No. 3, January 20, 2010. Ziemann,Olaf et al. “POF Handbook-Optical Short Range Transmission Systems”. Berlin : Springer, 2008.
[5]
[6]
[7]
[15]
Anonim a . “Alat Ukur Sistem Komunikasi Serat OptikOptical Time Domain Reflectometer”. Bandung : Lab. Sistem Elektronika STT Telkom, 2010. Anonim b. “Sensor” .Available: http//www. wikipedia .org /sensor.html, 2010. Bentley,John P . “Principles of Measurement Systems 3rd edition”. USA: Prentice Hall, 1995. Stoylen,Asbjorn. “Strain Rate Imaging”. Norway: Norwegian University of Science and Technology ,2010. Keiser, Gerd. “Optical Fiber Communication”. Singapore : McGraw-Hill Book, 1991. Anonim c. ”Optical Sensor” .Available : http//ni.com/opticalsensing.html ,2010. Widyana. Tugas Akhir : “Perancangan Sensor Serat Optik untuk Pengukuran Pergeseran Obyek dalam Orde Mikrometer Menggunakan Serat Optik Multimode”. Surabaya : ITS, 2010. Kumar,Arun et al. “Transmission Characteristics of SMS Fiber Optic Sensor Structure”. Elsevier Science B. V. Optics Communication 219 (2003) 215–219.
BIODATA PENULIS: Nama : Hafid Erya Permana TTL : Gresik, 28 Februari 1989 Alamat : Jl. Sumatra no. 62 GKB Gresik No. HP : 085646178401 Email :
[email protected] Email :
[email protected] Alternatif Riwayat Pendidikan : 1. SD Muhammadiyah 1 Gresik 1995-2001 2. SMPN 1 Gresik 2001-2004 3. SMAN 1 Gresik 2004-2007 4. Teknik Fisika ITS 2007-2011
