PERANCANGAN SENSOR PERGESERAN MENGGUNAKAN SERAT OPTIK UNTUK STRUKTUR RANGKA JEMBATAN

Tugas Akhir - 2012

PERANCANGAN SENSOR PERGESERAN MENGGUNAKAN SERAT OPTIK UNTUK STRUKTUR RANGKA JEMBATAN Annisa Dian Kumalasari¹, Erna Sri Sugesti², Suwandi³ ¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom Abstrak Jembatan adalah salah satu infrastruktur yang diharapkan dapat beroperasi selama bertahuntahun. Dalam masa pelayanannya mengalami degradasi kemampuan pada struktur rangka jembatan, seperti kasus yang terjadi akhir tahun 2011 tentang runtuhnya Jembatan Gantung Kutai Kartanegara, Tenggarong Kalimantan Timur. Faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya degradasi menyebabkan terjadi penurunan lengkungan lantai jembatan atau yang sering disebut camber jembatan. Penurunan camber sangat fatal bagi konstruksi jembatan dan tidak boleh melebihi batas yang diijinkan. Keamanan di bidang konstruksi jembatan menuntut monitoring struktur bangunan secara berkala. Pada Tugas Akhir ini, dirancang sensor serat optik yang dapat mendeteksi pergeseran, dimana pergeseran ini dapat merepresentasikan penurunan camber jembatan. Model jembatan yang digunakan adalah Jembatan Type Arch - Rumpiang yang melintasi Sungai Barito di Kabupaten Barito Kuala Kalimantan Selatan. Perancangan menggunakan 2 desain. Masing-masing desain memiliki 4 variasi skenario. Skenario- skenario ini berisi variabel tetap dan beberapa variabel tidak tetap. Fungsinya agar didapatkan kandidat desain sensor yang cocok dan terbaik untuk diterapkan pada struktur jembatan type arch. Dari hasil perancanangan yang telah dilakukan didapatkan lokasi pemilihan untuk pemasangan sensor pergeseran yang dapat memrepresentasikan penurunan camber adalah pada metal bearing. Arus foto yang dibangkitkan detektor PDQ80A pada saat kondisi worstcase point sebesar 86,84123016 mA, dimana nilai ini masuk dalam range operating current dari sistem telemetri yang diusulkan. Perhitungan redaman telah disesuaikan dengan kondisi lingkungan kerja yang memiliki cuaca cenderung lembab dan berdebu sehingga sensor ini cocok digunakan sebagai outdoor sensor. Kata Kunci : Kata Kunci: sensor pergeseran, sensor serat optik, pergeseran metal bearing, penurunan camber

Fakultas Teknik Elektro

Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi

Tugas Akhir - 2012

Abstract The bridge is one of public infrastucture that expected have ability to operate for many years. In its service ability may occurs degradation of bridge structure performance. For study case, in late of 2011 Kutai Kartanegara Suspension Bridge at Tenggarong, East Borneo has collapsed. Many factors that influence deck bridge's decline (camber). Camber decline is a serious problem for bridge structure performance and it prohibited to exceed from extent permitted. Bridge construction needs security system that can monitoring bridges framework structure regularly. This research is designed a fiber optic displacement sensor. In this case, sensor can detect displacement that represent of camber decline. We use Rumpiang Bridge-Arch Type which crosses Barito River at Barito Kuala District – South Borneo as a model. We have designed 2 kind of sensor configuration. Each design has 4 kind of skenario. Each skenario has fix variabels and unfix variabel. The aim of this variaties are to find the best design configuration for bridge structure implementation. From the design result that have been done, we obtained location for mounting fiber optic displacement sensor to represent camber decline is on metal bearing. Photo current generated by detector PDQ80A at worst case condition is 86,84123016 mA. This value suitable with the spesification of operating current for telemetry system. This sensor suitable for outdoor uses. Keywords : Keywords: displacement sensor, fiber optic displacement sensor, metal bearing displacement, camber decline

Fakultas Teknik Elektro Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)


Tugas Akhir - 2012

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Jembatan adalah salah satu infrastruktur yang diharapkan dapat beroperasi selama bertahun-tahun. Dalam masa pelayanannya mengalami degradasi kemampuan pada struktur rangka jembatan. Seperti kasus yang terjadi akhir tahun 2011 tentang runtuhnya Jembatan Gantung Kutai Kartanegara, Tenggarong Kalimantan Timur. Faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya degradasi dikarenakan adanya gempa, getaran, beban berulang, overloading, tumbukan, dan lain-lain. Hal tersebut dapat menyebabkan terjadi penurunan lengkungan lantai jembatan atau yang sering disebut camber jembatan. Penurunan camber sangat fatal bagi konstruksi jembatan. Penurunan tersebut tidak boleh melebihi batas yang diijinkan, sesuai struktur rangka dan jenis jembatan itu sendiri. Keamanan di bidang konstruksi dan bangunan menuntut monitoring struktur jembatan secara berkala. Selama ini monitoring camber dilakukan dengan cara konvensional yaitu mengukur secara manual menggunakan alat yang bernama waterpass. Metode ini kurang efisien dan memiliki berbagai keterbatasan[13], maka dari itu dibutuhkan suatu alat sistem monitoring otomatis dan permanen dari struktur jembatan itu sendiri dengan tingkat presisi yang tinggi. Pada struktur bangunan seperti jembatan dibutuhkan sensor yang dapat mendeteksi penurunan camber yang terjadi pada rangka jembatan. Kriteria sensor yang dibutuhkan adalah sensor yang tahan terhadap lingkungan ekstrim, ukurannya ringan, kecil, realibility bagus, simpel, dan keluaran sensornya mudah untuk diinterpretasikan. Salah satu sensor yang dapat memenuhi kriteria tersebut adalah teknologi serat optik. Sensor serat optik menjadi bahasan yang menarik dan berkembang akhir-akhir ini, karena banyak kelebihan yang dimiliki sensor serat optik dibandingkan sensor lain. Serat optik tahan terhadap Electromagnetic Interference (EMI), bersifat non-electrical, akurasi yang tinggi, mudah dipasang, ukurannya

1 Fakultas Teknik Elektro


Tugas Akhir - 2012

ringan, dan kecil. Sensor serat optik banyak digunakan untuk mengkontrol dan memonitoring suatu sistem.[12] Pada Tugas Akhir ini, akan dilakukan perancangan sistem sensor menggunakan serat optik yang cocok untuk diimplementasikan pada jembatan. Diharapkan sensor ini dapat mendeteksi pergeseran rangka jembatan yang dapat merepresentasikan terjadinya penurunan camber yang terjadi pada struktur jembatan. 1.2 Tujuan Penulisan Tujuan Tugas Akhir ini adalah memberdayagunakan fungsi serat optik sebagai sensor yang dapat mendeteksi pergeseran suatu benda. Dalam hal ini pergeseran struktur rangka jembatan. 1.3 Manfaat Manfaat dari penelitian ini secara umum yaitu monitoring kesehatan struktur rangka jembatan lebih mudah dan efisien. Manfaat secara khusus untuk bridge engineer, membantu dalam merencanakan pemeliharaan, menyediakan data perkiraan kehandalan rangka jembatan, dan perbaikan terhadap struktur dan lokasi-lokasi rangka jembatan yang mengalami penurunan performansi. Untuk pengguna jembatan, monitoring dapat menjaga keselamatan pengguna jalan, karena menyediakan data untuk mengetahui tingkat keamanan berkendara. 1.4 Rumusan Masalah Pada Tugas Akhir ini, dilakukan perancangan sensor serat optik yang dapat mendeteksi pergeseran bearing pada struktur rangka jembatan. Pendeteksian ini berfungsi untuk memberikan data monitoring kesehatan

struktur rangka

jembatan, sehingga monitoring dapat dilakukan secara lebih mudah dan efisien. Model jembatan yang digunakan sebagai objek penelitian adalah Jembatan Rimpiang Type Arch yang melintasi Sungai Barito di Kabupaten Barito Kuala Kalimantan Selatan. Pada jembatan ini sensor dipasang pada tumpuan jembatan (expansion metal bearing). Pergeseran yang dialami oleh bearing akan merepresentasikan penurunan camber jembatan yang memiliki batas ijin tertentu. Jika penurunan camber melebihi batas yang diijinkan maka akan berakibat fatal



Tugas Akhir - 2012

bagi kesehatan jembatan itu sendiri. Sehingga diperlukan desain sensor yang dapat mendeteksi pergeseran bearing tersebut. Pada Tugas Akhir ini dilakukan perancangan menggunakan 2 desain. Masingmasing desain memiliki 4 variasi skenario. Skenario- skenario ini berisi variabel tetap dan beberapa variabel tidak tetap. Misalnya pada perhitungan link power budget menggunakan berbagai macam jenis variabel yang berbeda seperti jenis sumber cahaya, serat optik, dan lensa kolimasi. Tujuannya agar didapatkan desain sensor yang terbaik dan cocok untuk diimplementasikan dalam mengukur pergeseran bearing pada struktur jembatan tipe arch. Analisis yang dilakukan pada Tugas Akhir ini mengenai hubungan grafik antara level daya yang diterima oleh detektor, dikonversikan menjadi pergeseran expansion metal bearing. Lalu pergeseran bearing tersebut dikonversikan menjadi penurunan camber jembatan. Pengolahan data pada Tugas Akhir ini dilakukan dengan menggunakan MS.Excell. 1.5 Batasan Masalah Batasan masalah pada Tugas Akhir ini, adalah: 1. Model jembatan yang digunakan adalah tipe arch 2. Titik pemasangan sensor dilakukan pada pondasi peletakan tumpuan dengan 1 kit yang berisi transmitter dan receiver ,serta moveable reflector yang dipasang pada expansion bearing. 3. Desain pengiriman data menggunakan

wireless telemetry. Tidak

membahas proses pengirimannya. 4. Pada sensor serat optik, sumber cahaya yang digunakan ialah sejenis laser modul transmitter yang penerapannya menggunakan laser pigtail, selain itu digunakan juga serat optik jenis multimode. 5. Analisis daya yang diterima detektor menggunakan perhitungan link power budget. 6. Data yang digunakan merupakan data real dari PT Hutama Karya Civil Contractor & General Engineering untuk Jembatan Rumpiang yang melintasi Sungai Barito di Kabupaten Barito Kuala Kalimantan Selatan. 7. Perancangan tidak membahas biaya



Tugas Akhir - 2012

1.6 Tahapan Penyelesaian Masalah Tahapan penyelesaian masalah yang digunakan untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini adalah: 1. Pengumpulan Data dan Studi Literatur Melakukan pengumpulan data bahan acuan secara teoritis penulisan Tugas Akhir ini yaitu : buku-buku acuan referensi, jurnal hasil seminar serta hasil-hasil penulisan dan penelitian. 2. Pendesainan sensor Melakukan iterasi dalam pendesainan konfigurasi blok diagram sensor, untuk mendapatkan desain sensor pergeseran yang sesuai dan terbaik untuk diterapkan pada struktrur jembatan. 3. Pemilihan Variabel Melakukan perhitungan link power budget, dan melakukan proses analisis pengaruh perubahan parameter-parameter sistem, terhadap daya yang diterima detektor dengan jarak pergeseran, dan hubungan range pergeseran terhadap penurunan camber. 4. Penarikan Kesimpulan Pada tahap ini dilakukan penyusunan laporan hasil penelitian yang telah dilakukan dan membuat kesimpulan dari hasil penelitian tersebut. 1.7 Sistematika Penelitian Pembahasan Tugas Akhir ini disusun dalam BAB I

PENDAHULUAN Pada bab berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, tujuan

pembahasan,

batasan

masalah,

metodologi

penelitian, dan sistematika penulisan. BAB II

DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas tentang teori dasar yang mendukung dan mendasari penulisan Tugas Akhir, yaitu konsep tentang sensor serat optik, dan konsep mengenai pengaruh penurunan camber terhadap struktur jembatan.



Tugas Akhir - 2012

BAB III

PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini membahas tentang alur perancangan sistem deteksi

pergeseran

menggunakan

serat

optik,

dan

perhitungan link power budget yang harus dipenuhi oleh sistem ini. BAB IV

ANALISIS HASIL PERANCANGAN Pada bab ini membahas tentang analisis hasil perhitungan link power budget terhadap pergeseran metal bearing dan penurunan camber.

BAB V

PENUTUP Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil penelitian Tugas Akhir serta saran untuk pengembangan selanjutnya.

5 Fakultas Teknik Elektro Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)


Tugas Akhir - 2012

BAB II DASAR TEORI

2.1. Jembatan Jembatan merupakan salah satu infrasturuktur yang sangat penting dalam kegiatan perekonomian suatu daerah. Dengan adanya jembatan maka diharapkan dapat memberikan manfaat antara lain: a. Membuka isolasi suatu daerah b. Meningkatkan

kegiatan

perekonomian

masyarakat,

memberikan

pelayanan masyarakat, memperlancar arus transportasi barang, jasa, pendidikan, kesehatan, perdagangan, dan kegiatan perekonomian secara luas. Dalam pengoperasian sehari-hari jembatan perlu perawatan sehingga kondisinya selalu dalam keadaan sehat ditinjau dari persyaratan konstruksi. Pentingnya perawatan kesehatan jembatan akan menjadi kunci performansi kelayakan suatu jembatan. Di beberapa daerah Indonesia banyak jembatanjembatan besar monumental yang menjadi ikon kebanggaan suatu daerah dibangun dengan biaya yang cukup besar. Tapi sayangnya kemampuan membuat jembatan tersebut tidak diiringi dengan pemeliharaan yang bagus, sehingga terjadi penurunan daya layan jembatan yang menyebabkan jembatan runtuh sebelum umur rencana layanan yang telah diperkirakan. 2.2. Keadaan Batas Layan ( Serviceability Limit State )[23] Dalam ilmu teknik sipil, keadaan batas layan (serviceability limit state) adalah keadaan dimana bangunan dianggap menjadi tak layak untuk digunakan. Serviceability Limit State pada struktur jembatan terjadi apabila jembatan terindikasi akan mengakibatkan kekhawatiran pengguna jembatan. Misalnya kekhawatiran terhadap kelayakan jembatan karena berkurangnya umur jembatan secara signifikan. Keadaan batas layan pada jembatan ditandai oleh: a. Perubahan bentuk permanen dari pondasi atau elemen utama jembatan seperti penurunan camber lantai jembatan. b. Kerusakan permanen akibat korosi, retak dan fatik.



Tugas Akhir - 2012

c. Vibrasi. d. Banjir pada jaringan jalan dan badan jalan. 2.3. Structural Health Monitoring System (SHMS)[13] SHMS atau monitoring kesehatan struktur jembatan didefinisikan sebagai sistem yang dapat menganalisa struktur jembatan. Termasuk respon struktur dalam mendeteksi perubahan yang mengindikasikan adanya kerusakan atau penurunan struktur jembatan. Teknologi ini dapat memperpanjang umur pelayanan jembatan karena penurunan kemampuan dan kerusakan dapat diidentifikasi lebih awal sebelum terjadinya kerusakan yang lebih parah yang berbanding lurus terhadap rehabilitasi yang sangat besar. Untuk dapat mengetahui kondisi struktur jembatan setiap saat, maka perlu dipasang alat monitoring antara lain: a. Deteksi penurunan camber jembatan b. Deteksi displacement pylon c. Deteksi beban gandar kendaraan d. Deteksi kecepatan dan arah angin e. Dll. Dari penjelasan SHMS, muncul ide dalam merancang sensor pergeseran yang dapat merepresentasikan penurunan camber jembatan yang akan dituangkan dalam Tugas Akhir ini. Tujuan dari SHMS adalah dapat membandingkan hasil monitoring dengan desain untuk mengetahui kondisi jembatan setiap saat, sehingga dapat dilakukan back calculation. 2.4. Camber (lawan lendut)[16] Istilah camber sebenarnya memiliki arti berbeda-beda tergantung dari bidang ilmu yang digunakan. Dalam jembatan, camber adalah struktur lengkung yang digunakan untuk melawan efek dari beban. Beban yang dimaksud adalah beban akibat beban mati yaitu berat yang diakibatkan lantai kendaraan (beton dan aspal) dan beban hidup rencana yaitu beban kendaraan dan segala sesuatu yang melintas di atas lantai jembatan.Misalnya ketika sejumlah truk berat menyebrang pada saat yang sama tanpa camber, pusat jembatan akan turun ke arah Y negatif, dan akan



Tugas Akhir - 2012

kembali ke posisi semula ketika truk pergi. Dengan menambahkan camber positif, maka bridge engineer dapat memastikan bahwa lantai jembatan akan berada pada posisi datar ketika terdapat beban diatasnya. Karena jika camber berada pada posisi Y negatif bisa dipastikan akan terjadi kerusakan struktur jembatan. Maka dari itu ada batas ijin penurun camber yang diperbolehkan berdasarkan surat edaran Direktorat Jendral Bina Marga Bulan Januari Tahun 2009 perihal petunjuk teknis desain struktur rangka baja di lingkungan Direktorat Jendral Bina Marga dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Petunjuk Teknis desain Struktur Rangka Baja di Lingkungan Direktorat Jendral Bina Marga[5] No Uraian Syarat 1

Camber (lendutan) yang diijinkan untuk beban hidup untuk bentang di atas dua tumpuan.

≤ 1/800 L

2

Camber (lendutan ) yang diijinkan untuk beban hidup pada struktur cantilever

≤ 1/400 L

3

Camber ( lendutan ) akibat beban mati

< 1/300 L

4

Anti lendut akibat beban mati dan beban hidup Keterangan

≥ 150 % (operasional)

: L adalah panjang bentang jembatan

Camber yang digunakan untuk jembatan rangka direncanakan dan dibuat langsung oleh pabrik, sehingga saat pemasangan di lapangan camber akan langsung terbentuk. Dalam pemasangan camber, elevasi atau ketinggian lantai jembatan harus selalu diukur dengan alat ukur yang bernama waterpass sehingga camber dapat terbentuk sesuai dengan yang direncanakan. Gambar 2.1 adalah sketsa dari camber jembatan. Terlihat bahwa lantai jembatan memiliki struktur lengkungan, dimana lengkungan ini berfungsi untuk melawan efek beban pengguna yang melintas di atasnya. Batas ijin penurunan camber untuk setiap jembtan berbeda-beda karena camber jembatan bergantung pada panjang dari bentang masing-masing jembatan.



Tugas Akhir - 2012

Gambar 2.1 Sketsa camber jembatan 2.5. Bearing Pada Kontruksi Jembatan[16] Bearing adalah tumpuan yang terdapat pada konstruksi jembatan. Fungsi bearing sebagai alat untuk meredam dan mengakomodir pergerakan konstruksi di atas jembatan (rangka dan lantai jembatan) yang diakibatkan oleh gaya-gaya yang bekerja seperti beban hidup (live load), beban angin, beban gempa, gaya rem,dll. Dengan dipasangnya bearing maka pada saat gaya-gaya tersebut bekerja, maka konstruksi atas jembatan memungkinkan untuk dapat bergerak dan sekaligus meredam gaya-gaya yang ekstrim sehingga lalu lintas yang melintasi jembatan tersebut dapat merasa nyaman. Adapun jenis tumpuan (bearing) adalah sebagai berikut: a. Tumpuan Karet (Rubber Bearing) Tumpuan ini digunakan untuk konstruksi jembatan yang mempunyai panjang bentang ≤ 100 m. Contoh rubber bearing dapat dilihat pada Gambar 2.2 Rubber

Plat

Gambar 2.2 Rubber Bearing b. Tumpuan Baja (Metal Bearing) Tumpuan yang digunakan untuk konstruksi jembatan yang mempunyai bentang ≥ 100 m. Sesuai dari namanya metal bearing terbuat dari baja yang terdiri dari dua bagian yang dilapisi teflon. Teflon merupakan material yang sangat keras dan licin, berfungsi sebagai media pemisah



Tugas Akhir - 2012

atau

penyekat

dua

bagian

metal

bearing

tersebut

sehingga

memungkinkan konstruksi bangunan atas dapat bergerak atau bergeser saat gaya-gaya terhadapnya dengan hambatan geser yang relatif kecil. Contoh metallic bearing dapat dilihat pada Gambar 2.3

Gambar 2.3 Metallic Bearing 2.6. Sensor Sensor secara umum didefinisikan sebagai alat yang dapat menerima dan memberikan respon terhadap sinyal atau stimulus[8]. Stimulus ialah kuantitas, properti atau kondisi yang dideteksi dan dikonversi menjadi sinyal elektrik. Fungsi dari sensor ialah merespon stimulus dan mengkonversi menjadi sinyal elektrik yang dapat dianalisis oleh rangkaian elektronik. Sehingga sensor juga dapat dikategorikan sebagai alat yang dapat mengubah nilai non-elektrik menjadi nilai elektrik. 2.7. Serat Optik Multimode Serat optik merupakan media transmisi yang mentransmisikan cahaya yang terbuat dari kaca ataupun plastik. Serat optik terdiri dari beberapa lapisan yaitu core, cladding dan coating. Ilustrasi lapisan serat optik dapat dilihat pada Gambar 2.4. Core adalah bagian paling dalam, tempat gelombang cahaya yang dikirimkan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapisan kedua. Cladding adalah bagian yang mengelilingi core dan mempunyai indeks bias lebih kecil dibandingkan dengan core. Bagian paling luar disebut coating atau jaket, berfungsi sebagai pelindung core dan cladding yang terbuat dari bahan plastik yang elastis.[20]



Tugas Akhir - 2012

Gambar 2.4 Struktur Serat Optik Serat optik multimode memiliki diameter core dan numerical aperture yang besar. Hal ini untuk memfasilitasi efesiensi dalam pengkoplingan cahaya. Serat optik multimode sangat baik digunakan untuk komunikasi jarak pendek, memiliki harga yang terjangkau dibandingkan dengan serat optik single mode[ 20], dan serat optik multimode memiliki kemampuan menangkap cahaya yang dipantulkan target secara maksimum sehingga serat multimode sangat cocok digunakan sebagai sensor pergeseran[10]. 2.8. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Laser adalah perangkat yang menghasilkan berkas cahaya monokromatik, koheren dan memiliki daya fokus yang tinggi. Cahaya yang dihasilkan laser memiliki divergensi yang rendah. Propagasi cahaya laser dapat menempuh jarak yang cukup jauh, dan cahaya laser dapat difokuskan ke tempat yang sangat kecil. Laser sering dimanfaatkan dalam semua bidang kehidupan[11] Pada sensor serat optik, diperlukan sumber cahaya yang koheren, memiliki daya fokus yang tinggi dan berkas cahayanya mudah untuk dianalisis [6]. Syaratsyarat tersebut ini dimiliki oleh laser, sehingga laser sangat cocok digunakan dalam teknologi sensor serat optik[11] 2.9. Receiver Optik Dalam perancangan sensor serat optik diperlukan photodetector yaitu alat yang dapat menangkap gelombang cahaya yang dikirim oleh transmitter dan mengkonversikan gelombang cahaya yang diterima menjadi sinyal elektrik. Sensor optik membutuhkan detektor yang memiliki sensitivitas yang tinggi. Sensitivitas yang dimaksud ialah detektor dapat mendeteksi sinyal yang kecil dan dapat mendeteksi perubahan daya yang sedikit. Detektor penerima yang biasa digunakan dalam sistem komunikasi serat optik ialah PIN diode atau APD (Avalanche Photo Diode). Kedua detektor ini bisa digunakan dalam aplikasi sensor serat optik, tetapi sebelum menentukan jenis detektor yang dipilih



Tugas Akhir - 2012

perhitungan link power budget harus dilakukan agar dapat daya minimum yang diterima detektor dapat diestimasi. Selain itu arus foto yang dibangkitkan detektor harus sesuai dengan arus operasi dari sistem telemetri yang digunakan. Mungkin saja penggunaan PIN dan APD tidak cocok untuk sensor serat optik, sehingga dapat dicari alternatif detektor lain yang dapat memenuhi spesifikasi sensor yang diinginkan. 2.10.

Sensor Serat Optik

Kemajuan terbaru dalam teknologi serat optik secara signifikan telah mengubah industri telekomunikasi. Dalam proses perkembangan serat optik, para peneliti fokus dalam pengembangan desain yang sesuai untuk serat optik. Seiring dengan berjalannya pengamatan tersebut muncul ide bahwa ternyata serat optik dapat digunakan sebagai sistem penginderaan[2]. Sehingga kemampuan sensor serat optik dapat menggantikan teknologi sensor sebelumnya. Penggunaan serat optik pada aplikasi komunikasi berbeda dengan penggunaannya pada sensor. Pada aplikasi telekomunikasi efek dari redamanredaman eksternal yang terjadi pada serat optik diminimalisir, tetapi pada sensor serat optik respon gangguan eksternal pada serat optik ditingkatkan, sehingga menghasilkan perubahan radiasi serat optik yang dapat digunakan untuk mengukur gangguan (perturbasi) eksternal[7]. Selain itu pada aplikasi komunikasi, sinyal yang dilewatkan melalui serat optik akan dimodulasi, sementara dalam penginderaan, serat optik berfungsi sebagai modulator, transducer dan mengkonversi data pengukuran objek[7]. Sensor serat optik memiliki esensi bahwa cahaya yang merambat pada serat optik dapat dimanfaatkan sebagai respon terhadap perubahan eksternal fisik, kimia, biologi, biomedis dan sebagainya. Sensor serat optik dapat disebut sebagai perangkat yang dapat mengkonversi gelombang cahaya menjadi sinyal elektrik sehingga mudah untuk dianalisis[6]. Sensor optik memiliki kemampuan untuk mengukur perubahan intensitas cahaya yang terjadi pada satu atau lebih berkas cahaya. Hal terpenting dalam penggunaan sensor optik adalah mempertahankan kepekaannya terhadap obyek yang diukur. Sensor serat optik lebih unggul dibandingkan dengan teknologi sensor sebelumnya, diantaranya mulai dari ukurannya yang kecil, ringan, kebal terhadap



Tugas Akhir - 2012

interferensi elektromagnetik, dapat bekerja pada suhu tinggi dan kemampuan penginderaannya terdistribusi.[2] Secara umum, karakteristik sensor serat optik memiliki sensitivitas tinggi dibandingkan dengan sensor lain. 2.11. Intensity-type Fiber Optic Sensor Using Reflection Berdasarkan teknik modulasinya , sensor serat optik dapat diklasifikasikan menjadi 5 jenis. Salah satunya Intensity Modulated Fiber Optic Sensor. Penggunaan intensity modulation sebagai sensor serat optik merupakan cara yang paling simpel dan murah[6]. Pemanfaatan intensitas cahaya yang dikirim dibandingkan dengan intensitas cahaya yang diterima detektor dapat digunakan sebagai ide bahwa serat optik dapat digunakan sebagai sensor pergeseran. Misalignment serat optik pada sistem telekomunikasi dianggap sebagai kecacatan yang terjadi saat melakukan proses penyambungan serat optik. Namun pada aplikasi sensor, misalignment dimanfaatkan sebagai teknik untuk mendeteksi pergeseran. Salah satu misalignment yang digunakan sebagai teknik dalam mendeteksi pergeseran yaitu longitudinal misalignment. Penggunaan teknik ini sangat cocok untuk mendeteksi pergerakan suatu benda yang bergerak maju mundur (horizontal). Pemasangannya pun

mudah. Ilustrasi longitudinal misalignment

dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Ilustrasi Longitudinal misalignment Sesuai dengan ilustrasi Gambar 2.5, Perancangan sensor serat optik sebagai alat deteksi pergeseran suatu benda dapat dimodelkan sepaerti pada Gambar 2.5 menggunakan prinsip dasar Intensity-type Fiber Optic Sensor Using Reflection[2]. Pada Gambar 2.6, cahaya merambat sepanjang serat optik dari kiri ke kanan



Tugas Akhir - 2012

meninggalkan ujung serat menuju moveable reflector. Jika reflektor bergerak mendekat menuju serat optik maka intensitas cahaya yang kuat dapat ditangkap oleh detektor. Begitu juga sebaliknya jika reflektor bergerak menjauhi ujung serat optik, maka intensitas cahaya yang akan dikopel masuk dalam serat akan melemah. Sehingga detektor mendeteksi terjadi pelemahan sinyal.

Gambar 2.6 Sensor Optik menggunakan prinsip dasar Intensity-type Fiber Optic Sensor Using Reflection [ 2] Dengan hubungan antara serat dengan jarak reflektor dan intensitas cahaya akibat pantulan reflektor dapat digunakan untuk mengukur jarak pergeseran yang dialami suatu benda. 2.12.

Redaman

Dalam perancangan sensor serat optik, hal yang paling penting ialah hubungan antara level daya yang diterima detektor terhadap pergeseran yang terjadi. Tentu dalam pengiriman daya input hingga akhirnya daya dapat diterima oleh detektor mengalami berbagai macam redaman yang harus diperhitungkan. Sehingga dengan menghitung link power budget, penentuan daya input sumber yang cocok dipakai untuk pengaplikasian sensor serat optik dapat dilakukan dengan mudah. Berikut dibahas berbagai macam redaman yang terjadi pada perancangan sistem sensor serat optik: 2.12.1. Redaman akibat sambungan Dalam link serat optik, tentu diperlukannya penyambungan dan terminasi. Hal ini akan menimbulkan beberapa jenis redaman yang harus diperhitungkan. 2.12.1.1. Redaman Fresnel Redaman ini terjadi akibat adanya celah udara dalam penyambungan. Walaupun terperangkapnya udara dalam jumlah yang sangat kecil, hal ini dapat



Tugas Akhir - 2012

membuat cahaya terpantulkan kembali ke sisi transmitter, dan menyebabkan tidak semua cahaya dapat diteruskan, sehingga menimbulkan redaman yang dikenal dengan fenomena Fresnel Reflection

[20]

. Redaman ini bergantung pada beda

indeks bias pada permukaan sambungan (misal: kaca-udara-kaca). Rasio cahaya yang dipantulkan kembali ke sisi trasnmitter bisa dirumuskan sebagai berikut [20]:

(2.1) R adalah rasio berkas cahaya pantul yang terjadi pada pemukaan tunggal (single interface), n1 adalah indeks bias dari inti serat dan n adalah indeks bias medium yang terperangkap dalam sambungan. Sehingga redaman yang ditimbulkan karena Fresnel reflection dalam decibel dapat dihitung sebagai berikut: (2.2)

2.12.1.2. Redaman akibat ketidaksesuaian NA Pada perancangan desain suatu link serat optik, memungkinkan terjadi sambungan dua serat optik yang memiliki numerical aperture (NA) yang berbeda. Tentunya hal ini akan menyumbangkan redaman pada link serat optik. Saat kabel serat transmisi memiliki NA yang lebih besar dari kabel serat penerima maka akan ada berkas cahaya yang jatuh keluar dari sudut penerimaan maksimum kabel serat penerima sehingga cahaya tidak semuanya masuk ke kabel serat penerima. Maka redaman yang ditimbulkan akibat ketidaksesuaian NA dapat dihitung sebagai berikut [18]:

(2.3) NA1 dan NA2 adalah numerical aperture dari kabel serat transmisi dan kabel serat penerima.

2.12.1.3. Redaman Kabel Penjalaran cahaya dalam serat optik dapat meredam sebagian daya input yang ditransmisikan. Hal ini terjadi karena redaman yang disebabkan oleh karakteristik



Tugas Akhir - 2012

dari kabel serat optik itu sendiri. Setiap kabel serat optik memiliki spesifikasi yang berisikan informasi redaman maksimum dari kabel serat optik. Redaman ini bergantung dengan panjang dari link yang digunakan. Sehingga redaman akibat kabel dapat dihitung sebagai berikut:

(2.4) dimana f = redaman kabel [dB/km] L = panjang link [km] 2.12.1.4. Redaman coupler Coupler adalah perangkat pasif yang digunakan untuk membagi dan mendistribusikan sinyal optik dari satu serat optik ke dua atau lebih serat optik digunakan pada desain 2, karena coupler adalah sebuah perangkat tambahan, maka penggunaan coupler dapat menyebabkan redaman pada cahaya yang ditransmisikan. Teredamnya cahaya akibat coupler dapat dirumuskan sebagai berikut:

(2.5)[18] dimana e = excess loss coupler [dB] Cr = coupling ratio D = direktivitas [dB] 2.12.2. Redaman cahaya di ruang bebas (free space optic)[3] Redaman cahaya optik yang terjadi pada ruang bebas dipengaruhi banyak faktor lingkungan luar. Misalnya saat cuaca cerah, hujan, kabut, asap, dan salju. Redaman akibat penjalaran cahaya di ruang bebas dapat dihitung dengan persamaan (2.6) (2.6) dimana Latm  z

= Loss free-space optic = faktor atenuasi atmosfer [dB/km] = jarak penjalaran cahaya dalam ruang bebas [km]



Tugas Akhir - 2012

Variabel faktor redaman atmosfer adalah nilai koefisien yang merupakan perhitungan konversi visibility statistic yang disurvei dan dikumpulkan oleh World Meteorogical International Organization yang dapat dilihat pada Tabel 2.2 Pada perancangan sistem ini diambil kondisi cuaca yang memiliki peluang akan terjadi di iklim tropis seperti Indonesia ini yaitu haze dengan  = -2.58. Lossatm bergantung pada jarak pergeseran yang dialami oleh reflektor. Tabel 2.2 International Visibility Codes for Weather Condition and Preciptation[3]

2.12.3. Loss Reflektor Redaman yang diakibatkan oleh reflektor terjadi pada desain 1, karena pada desain 1 digunakan reflektor jenis retroflector. Redaman yang terjadi pada reflektor sebagian besar dipengaruhi oleh koefisien transmisi bahan pada panjang gelombang tertentu dan attenuasi bahan yang mempengaruhi cahaya yang menembus ke dalam retroflector dan planar mirror.

(2.7)



Tugas Akhir - 2012

dimana h mat

= ketebalan dari moveable reflector [mm] = attenuasi bahan moveable reflector [per cm]

2.13. Link Budget Dalam menghitung link power budget pada perancangan sensor ini, secara garis besar dapat dirumuskan sesuai dengan persamaan (2.8) (2.8) dimana Pd Pin

= Daya yang diterima detektor [dBm] = Daya masukan sumber [dBm]

2.14. Responsitivitas Responsitivitas adalah parameter yang berguna untuk menspesifikasikan arus foto yang dibangkitkan per satuan daya sesuai dengan persamaan (2.9)[20]

(2.9) dimana



= Responsitivitas [A/W] = Arus foto [mA] = Daya yang dideteksi oleh detektor [mA]

Ip P0

2.15. Sistem Telemetri Telemetri

adalah

teknologi

yang

memungkinkan

pengukuran

dan

penyampaian informasi jarak jauh. Pentransmisian informasi dalam sistem telemeri dapat dilakukan dengan sistem nirkabel, telepon, jaringan komputer, atau menggunakan sistem link optik dll[8]. Sistem telemetri sangat dibutuhkan dalam penginformasian data-data yang diperoleh dan dideteksi oleh sensor. Dengan menggunakan sistem telemetri kita dapat memantau dan mengkontrol displacement yang terjadi pada jembatan secara efektif. Pada tugas akhir ini sistem telemetri yang akan diusulkan ialah wireless telemetry menggunakan gelombang radio. Pemilihan ini berdasarkan beberapa pertimbangan yaitu



Tugas Akhir - 2012

a. Memperbaiki tingkat reability dan akurasi dari pengukuran data b. Biaya instalasi dan pemeliharaan yang murah c. Sistem kuat pada kondisi dan lingkungan buruk d. Cocok digunakan dalam jangka waktu panjang e. Aman dari gangguan terhadap tegangan tinggi dan kilatan petir Sistem telemetri ini berupa instrumen semacam modem yang dipasang pada lokasi pemantauan, sehingga memudahkan kita dalam menganalisis dan mengolah data yang kita peroleh.

19 Fakultas Teknik Elektro Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)


PERANCANGAN SENSOR PERGESERAN MENGGUNAKAN SERAT OPTIK UNTUK STRUKTUR RANGKA JEMBATAN

Recommend Documents