PERANCANGAN SENSOR SERAT OPTIK UNTUK PENGUKURAN PERGESERAN OBYEK DALAM ORDE MIKROMETER MENGGUNAKAN SERAT OPTIK MULTIMODE Widyana - Heru Setijono Laboratorium Rekayasa Fotonika – Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri - Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS keputih Sukolilo Surabaya 60111 Indonesia ABSTRAK Kebutuhan alat pengukuran pergeseran obyek dalam orde mikrometer semakin meningkat dalam berbagai bidang. Penggunaan serat optik semakin diminati sebagai sensor dikarenakan mempunyai bahan isolasi elektrikal, bersifat non kontak,tahan terhadap interferensi elektromagnetik, dan bersifat pasif secara kimiawi. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu, serat optik tipe Multi Mode Gradded Index (MMGI)-62,5/125 µm-G651, laser HeNe (JDSU-1125/P-632,8nm), photodetektor, multimeter digital (Protek 505). Penelitian dilakukan dengan mengamati perubahan tegangan keluaran tiap pergeseran obyek sepanjang 10µm, sehingga dapat diperoleh hubungan antara jarak (µm) dengan tegangan (volt). Penelitian dilakukan dengan menggunakan dua nilai variasi lensa yaitu dengan numerical aperture (NA) objective lens 0,25 dan 0,4. Pergeseran yang dilakukan dibatasi pada satu dimensi. Berdasarkan hasil penelitian dengan menggunakan nilai NA 0,4 diperoleh sensitivitas sebesar 0,036 volt/µm, nilai koefisien korelasi = 0,994, yang menyatakan hubungan antara data penelitian (hubungan jarak terhadap tegangan) dengan persamaan regresi linier, nilai error sebesar 0,6 % dengan standard deviasi sebesar 0,197020243. Berdasarkan penelitian yang dilakukan maka diketahui bahwa perancangan sensor serat optik untuk pengukuran pergeseran obyek dalam orde mikrometer dapat direalisasikan. Kata kunci : serat optik, sensor, pergeseran mikrometer BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang dan Permasalahan Penggunaan sensor dalam sistem pengukuran pada bidang industri semakin berkembang. dari Penggunaan Serat Optik sebagai sensor dibandingkan sensor konvensional yaitu; Serat Optik mempunyai bahan isolasi elektrikal, tidak mempunyai resiko terhadap loncatan bunga api, Tahan terhadap interferensi elektromagnetik, pasif secara kimiawi, bersifat non kontak, kemampuan mulitiplexing.permasalahan dalam Tugas Akhir ini yaitu bagaimana perencanaan dan disain serta kemungkinan yang ada sehingga dapat diwujudkan sebuah sensor serat optik sebagai alat pengukuran pergeseran obyek dalam orde mikrometer menggunakan serat optik multimode dengan memperhatikan parameter – parameter yang mempengaruhinya. 1.2
Batasan Masalah Pada pengerjaan tugas akhir ini dilakukan pembatasan terhadap beberapa masalah untuk
menghindari melebarnya permasalahan dan melebarnya topik penelitian, Adapun batasan masalah yaitu ; 1. Mikrometer yang digunakan mempunyai skala pergeseran 10µm 2. Serat Optik yang digunakan yaitu serat optik dengan tipe MMGI- 62,5/125 µmG651 3. Menggunakan lensa microscope objective lens. 4. Menggunakan satu sumbu pergeseran/satu dimensi 5. Tidak ada penyerapan (faktor absorbsi) intensitas oleh lensa 6. Tidak ada cahaya luar yang masuk dalam photodetektor 1.3
Tujuan Sebagaimana latar belakang dan permasalahan yang telah dijelaskan di atas, maka tujuan penelitian tugas akhir ini, yaitu untuk merancang sensor pengukuran pergeseran obyek menggunakan serat optik dengan kisaran
pergeseran yang terjadi dalam satuan mikrometer, dan juga untuk mengetahui jenis serat optik yang sesuai yang dapat digunakan sebagai sensor posisi obyek, serta mengetahui parameter-parameter yang terdapat di dalamnya. BAB II DASAR TEORI Serat Optik Serat optik dibuat dari silikon dan germanium bereaksi dengan oksigen membentuk SiO2 dan GeO2.SiO2 dan GeO2 menyatu dan membentuk kaca Serat optik terdiri dari 3 bagian, yaitu : 1. Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari serat 2. Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan sinar kembali ke dalam inti(core), 3. Buffer Coating adalah plastik pelapis yang melindungi serat dari kerusakan.
Gambar 2.1 Bagian-bagian Serat Optik Ukuran core kabel Multi mode secara umum adalah berkisar antara 50 sampai dengan 100 mikrometer. Biasanya ukuran NA yang terdapat di dalam kabel Multi mode pada umumnya adalah 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), dan serat optik multimode gradded index (indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil. Jadi pada gradded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar).
Gambar 2.2 Karakteristik Serat Optik Multimode Step Index
Gambar 2.3 Karakteristik Serat Optik Multimode Gradded Index
Numerical Aperture Numerical aperture (NA) adalah ukuran kemampuan sebuah serat untuk menangkap cahaya, juga dipakai untuk mendefenisikan acceptance cone dari sebuah serat optik. Jika medium dimana tempat cahaya memasuki serat umumnya adalah udara maka = 1 sehingga NA = sin θa. NA digunakan untuk mengukur source-tofiber power-coupling efficiencies, NA yang besar menyatakan source-to-fiber power-coupling efficiencies yang tinggi. Nilai NA biasanya sekitar 0,20 sampai 0,29 untuk serat gelas, serat plastik memiliki NA yang lebih tinggi dapat melebihi 0,5.
Gambar 2.4 Ilustrasi Numerical Aperture Berdasarkan gambar di atas, pada saat c cahaya sejajar sumbu serat optik, dan pada saat c terjadi pantulan. Sehingga sin c = n2/n1. pada saat θ0 maksimum, sudut adalah sudut kritis (c) sehingga: θ0 maks = sin -1
2.1
dan NA adalah sin θ0 maks) atau bila n0 adalah nudara maka n0 = 1 dan NA menjadi : sin θ0= Berkas Gaussian Gelombang bidang dengan amplitudo kompleks Ae-jkz arah sinarnya ( garis tegak lurus muka gelombang ) sejajar dengan arah perambatan gelombang sehingga tidak menyebar secara angular. Berkas cahaya dengan arah perambatan seperti gelombang bidang sangat sulit diperoleh, yang dapat mendekati sifat tersebut adalah berkas gaussian. Berkas gaussian dikonstruksi dari gelombang paraxial dengan fungsi saklar amplitudo kompleks ditunjukkan oleh persamaan; U (x,y,z) = A (x,y,z) e-jkz 2.2 A(x,y,z) adalah kompleks envelope gelombang. Diameter berkas Gaussian membesar seiring bertambahnya nilai z seperti pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.5 Distribusi Intensitas Berkas Sebagai Fungsi Jarak radial r pada dua jarak axial (z) yang berbeda [Saleh, 1991].
Serat optik yang digunakan yaitu serat optik multimode dengan spesifikasi sebagai berikut;
Intensitas pada sumbu berkas (r=0) ditunjukkan oleh perrsamaan:
I (o,z) = I ω
ω
I (o,z) =
2.3a 2.3b
Intensitas maksimum terjadi pada z = 0, kemudian berkurang secara gradual dengan bertambahnya nilai z, mencapai ½ puncak pada z = untuk | | " # , Maka I(o,z) = I z / , sehingga intensitas berkurang terhadap jarak axial sesuai hukum kuadratik terbalik. Pada pusat berkas (& 0, 0 diperoleh intensitas tertinggi (0. Dalam setiap elemen sistem pengukuran mempunyai beberapa karakteristik yang akan menunjukkan kinerja atau performansi dari suatu elemen pengukuran tersebut, beberapa karakteristik yang dicari pada tugas akhir ini yaitu; Range/jangkauan, Span, Linieritas, Sensitivitas, Resolusi
Secara umum perancangan sensor serat optik sebagai alat pengukuran pergeseran obyek dalam orde mikrometer digambarkan pada flowchart di bawah ini;
BAB III PERANCANGAN DAN METODOLOGI Nilai pergeseran target dalam orde mikrometer dapat dideteksi dari perubahan hasil keluaran detektor berdasarkan pergeseran yang dilakukan, yang akan dibuat perbandingan antar keduanya. Perancangan sensor serat optik sebagai alat pengukuran pergeseran obyek dalam penelitian ini memerlukan dua tahapan yaitu penelitian sensor serat optik sebagai alat pengukuran pergeseran obyek yang didasarkan pada modulasi intensitas dan karakteristik sensor serat optik yang digunakan untuk mengetahui performansi dan daerah batasan kerja yang dapat dideteksi. Penelitian dilakukan dengan menggunakan spesifikasi lensa obyektif yang berbeda, spesifikasi tersebut dapat dilihat pada tabel berikut ini;
Susunan peralatan penelitian serat optik sebagai alat pengukuran pergeseran obyek dalam
orde mikrometer dapat dilihat pada gambar di bawah ini;
Gambar 3.1 Susunan peralatan penelitian serat optik sebagai alat pengukur pergeseran obyek Keterangan : MD : Microdisplacement (pergeseran secara mikrometer L : Lensa PD : Photodetektor FO : Serat optik Seperti yang terdapat pada gambar di atas, maka peralatan yang digunakan dalam pengambilan penelitian yaitu serat optik tipe Multi Mode Gradded Index (MMGI)-62,5/125 µmG651, laser HeNe (JDSU-1125/P-632,8nm), photodetektor, multimeter digital (Protek 505), lensa obyektif mikroskop, mikrometer dengan skala pergeseran 10µm. Penelitian dilakukan dengan menempatkan posisi pertama serat optik pada titik fokus lensa. Karakteristik sensor serat optik dilakukan untuk mengetahui performansi sensor. Karakteristik yang ditentukan yaitu; linieritas sensor, resolusi alat, range/jangkauan, span, dan sensitivitas.
NA diketahui dari lensa = 0,25 Dan M (perbesaran) = 10 Diameter lensa = 0,58 cm Maka panjang fokus dapat dicari, 0,25 = 1 sin θ θ 14,477 0 dan dimasukkan ke rumus selanjutnya : ) tan θ = * ,+,
tan 14,477 0 = * maka f (panjang fokus) diketahui = 1,123165 cm Berdasarkan penelitian yang dilakukan maka didapatkan grafik hubungan antara pergeseran orde mikrometer dengan perubahan tegangan keluaran yang dapat dilihat pada gambar grafik di bawah ini;
Gambar 4.2 Grafik pergeseran maju (NA lensa 0,25)
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Perancangan Sensor Serat Optik Sebagai Alat Pengukuran Pergeseran Obyek Dalam Orde Mikrometer Berdasarkan penelitian yang dilakukan terdapat perubahan luasan diameter berkas terhadap perubahan x, yang merupakan prinsip dasar dari perancangan sensor serat optik untuk pengukuran pergeseran obyek dengan skala mikrometer, seperti yang ditunjukkan oleh gambar di bawah ini,
Gambar 4.1 Berkas cahaya yang keluar dari laser HeNe Berdasarkan gambar diatas, panjang fokus dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Numerical Aperture berikut ini; NA = n sin θ 4.1 ) 4.2 Dan menggunakan rumus tangen θ = *
Gambar 4.3 Grafik pergeseran mundur (NA lensa 0,25) Berdasarkan kedua grafik tersebut didapatkan persamaan yang menyatakan hubungan antara jarak dan tegangan keluaran. Kedua persamaan tersebut yaitu, V = -0,005 X + 0,351 dengan standar deviasi = 0,035512841 V = -0,011 X + 0,367 dengan standar deviasi = 0,071919499 Dengan menggunakan cara yang sama maka penelitian dilakukan dengan menggunakan Numerical Aperture lensa yang berbeda yaitu NA
= 0,4, dengan panjang fokus berdasar hasil perhitungan yaitu 1,0314 cm. Berdasarkan hasil penelitian dengan NA = 0,4 maka dihasilkan grafik-grafik berikut ini,
Berdasarkan gambar 4.6 maka dapat diketahui bahwa besarnya nilai Numerical Aperture dari suatu lensa mempunyai pengaruh terhadap resolusi pengukuran dan sensitivitas pengukuran. Penjelasan dan pembuktian perbandingan kedua nilai Numerical Aperture dapat dilihat berdasarkan gambar di bawah ini,
Gambar 4.7 Berkas Sinar Laser Dengan Nilai NA", sehingga nilai θ" Gambar 4.4 Grafik Pergeseran maju (NA lensa 0,4)
Gambar 4.5 Grafik Pergeseran mundur (NA lensa 0,4) Persamaan yang didapatkan berdasarkan grafik di atas, yaitu; V = -0,036 X + 0,559 dengan standar deviasi = 0,17423796 V = -0,033 X + 0,631 dengan standar deviasi = 0,197020243 Berdasarkan grafik yang dihasilkan antara NA = 0,25 dan NA = 0,4 maka dapat dibandingkan sebagai berikut,
Gambar 4.6 Gambar grafik perbandingan pergeseran maju dengan menggunakan NA = 0,25 dan NA = 0,4
Gambar 4.8 Berkas Sinar Laser Dengan Nilai NA-, sehingga nilai θNilai suatu numerical aperture dapat mempengaruhi panjang fokus suatu lensa, hal tersebut dapat dibuktikan berdasarkan gambar (4.8) dan gambar (4.9), dan juga dapat dilihat berdasarkan persamaan berikut ini, NA = n sin θ 4.1 f = D/2 tan θ 4.2 dimana : NA = Numerical Aperture f = panjang fokus D = diameter lensa n = indeks bias Berdasarkan kedua perhitungan untuk mengetahui panjang fokus dengan menggunakan numerical aperture yang berbeda, maka dapat diambil suatu analisa bahwa dengan nilai NA(Numerical Aperture) yang semakin besar maka akan didapatkan panjang fokus yang lebih kecil dan didapatkan θ yang semakin besar dan berlaku kebalikannya. Hubungan jarak dengan tegangan keluaran pada sensor ini yaitu, X = 27,78 V – 0,559 dengan nilai hubungan antara data penelitian dan persamaan regresi yaitu 0,988 dan dengan standar deviasi sebesar 0,17423796 sehingga nilai sensitivitas dari jarak terhadap tegangan pada alat ini yaitu 27,78 µm/volt. 4.2 Karakteristik Sensor Serat Optik Untuk Mengetahui Performansi Sensor Karakteristik pada sensor serat optik untuk pengukuran pergeseran obyek dalam orde mikrometer, yaitu: • Range/Jangkauan sensor Range pengukuran pada sensor serat optik sebagai pengukuran pergeseran obyek yaitu 0 – 200 µm, nilai ini merupakan range input yaitu antara Inputmin s/d Inputmax • Span
Span dapat diketahui dari nilai Imax – I min atau Omax – Omin, span dari sensor atau alat ukur ini yaitu 10,00 mm. • Linieritas Linieritas yang dihasilkan yaitu 0,994 • Resolusi Pergeseran alat Resolusi sensor sebesar 0,027 µm • Sensitivitas Sensitivitas pada sensor ini yaitu 0,036 volt/µm BAB V PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : • Range sensor serat optik sebagai alat pengukuran pergeseran obyek dalam orde mikrometer yaitu 0 – 200 µm • Sensitivitas sensor yang dihasilkan yaitu 0,036 volt/µm • Resolusi sensor sebesar 0,027 µm, dengan Span alat ukur sebesar 10,00 mm. • Berdasarkan karakteristik sensor yang didapatkan maka performansi dari sensor serat optik bisa digunakan sebagai alat ukur dengan pergeseran yang terjadi dalam orde mikrometer DAFTAR PUSTAKA 1.
2. 3.
4. 5.
6.
7. 8.
Udd, E.,1991 Fiber optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, Wiley, New York. Yu,F, Yin,S , 2002 Fiber optic sensors. Marcel-Dekker. Krohn,D.A Fiber optic sensors-Fundamental and applications Instrument Society of America. Wiley, John & Sons. Fiber optic smart structures. INC, New Culshaw, B., and Dakin, J, ,1989 Optikal Serat Sensors:Sistems and Applications, Artech House, Boston. Krohn, D. A., , 1988. Fiber optic Sensors: Fundamental and Applications, Instrument Society of America, Research Triangle Park, North Carolina. Udd, E., 1992 editor, Fiber optic Sensors, Proceedings of SPIE, CR-44. Udd, E., , 1996 Fiber optic Smart Structures, Proceedings of IEEE, vol. 84, no. 6, 884−894.
BIODATA PENULIS Nama : Widyana Tempat,tanggal lahir : Jakarta, 20 April 1988 Alamat : Jl. Brawijaya 40 a, Sby Email :
[email protected] Riwayat Pendidikan: 1994-2000 : SDN Candrabaga I Bekasi Selatan 2000-2003 : SLTPN 21 Surabaya 2003-2006 : SMAN 1 Surabaya 2006-2010 : T.Fisika ITS
