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 :
msg.salwastudent.uns.ac.id
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. Pendahuluan
Pengembangan sensor-sensor tekanan dan pergeseran yang biasa disebut shear
and pressure sensor adalah sensor kapasitif yang terintegrasi dan strain gauge. Satu
masalah pada sensor kapasistif yaitu suseptibilitas terhadap interferensi listrik
karena impedansi tinggi. Starin gauge, membutuhkan struktur tambahan untuk
mendapatkan inti komponen pergeseran. Kedua
alat tersebut
dipengaruhi oleh ukuran, drift, dan sensitivitas tinggi
terhadap suhu. Kelemahan pada kedua sensor
konvensional tersebut
adalah material yang digunakan tidak cocok
dengan kulit ketika sensor diatur untuk mengukur
tekanan dan
pergeseran
[1]
. Wang et al., 2005.
Untuk menanggulangi kekurangan pada sensor-sensor konvensional, maka
dikembangkan sensor serat optik. 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.
Rugi-rugi merupakan pelemahan daya yang dibawa
oleh cahaya. Pembengkokan fiber optik ini menyebabkan cahaya yang merambat di
dalamnya menjadi berbelok dari arah transmisi dan hilang. Pada penelitian ini
dikembangkan prototipe sensor tekanan beserta pemetaan tekanannya.
II. Tinjauan Pustaka
Sharon, dkk., mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi
untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal- sinyal yang berasal dari perubahan suatu
energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi
mekanik dan
sebagainya
[2]
. 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,
pengoperasian perangkat mekanik yang kuat, penurunan tanah tak terduga, dll.
[4]
. Sebagai elemen sensor, serat optik
digunakan dalam sistem tersebut karena parameter
massa dimensi
yang memungkinkan
menempatkan mereka
dalam berbagai desain bangunan tanpa mengubah
karakteristik teknis
dan operasional dari struktur
[4]
. Perambatan cahaya pada serat optik
menggunakan prinsip pemantulan internal sempurna. Cahaya yang merambat menuju
bidang perbatasan terpantul kembali ke dalam serat optik jika sudut datangnya
lebih besar dari sudut kritis. Dengan cara ini cahaya dapat merambat di dalam serat
optik melalui serangkaian pemantulan, seperti yang diilustrasikan pada Gambar
2.1. Gambar 2.1 menunjukkan bahwa
cahaya yang datang semakin besar karena
memasuki medium yang indeks biasnya lebih rendah. Sudut datang dalam core
meningkat dan pada akhirnya sudut bias mencapai 90
. Hal ini menyebabkan cahaya dibiaskan sepanjang perbatasan medium
core dan cladding. Besarnya sudut kritis dapat dihitung dengan mengasumsikan
Gambar 2. 1 Perambatan Cahaya dalam Serat Optik
sudut bias menjadi 90 . Dari hukum
Snellius dapat ditulis sebagai berikut
[5]
: sin
= sin 90
2.1 Bend-Loss merupakan salah satu
teknik yang dipilih untuk sensor geser dan tekanan. Teknik ini simpel dan efektif
untuk mendeteksi
tekanan yang
menyebabkan deformasi serat optik. Prinsip kerja sensor ini adalah tergantung pada
kekuatan transmition
loss yang
menyebabkan kopling di antara perbedaan penyebaran mode core dan dari mode core
ke mode radiasi. Di bawah ini adalah keadaan dimana rΔR bernilai kecil, maka
persamaan atenuasi intensitas cahaya adalah
2.2 dimana r adalah jari-jari core,
adalah indeks bias untuk parabolic profile,
≈ 2 dan untuk step profile,
≈ ∞ R adalah jari- jari kelengkungan pada bending
dan Δ 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]
. III.
Metodologi
a. Diagram Alir
b. Prosedur Kerja
Perangkat yang digunakan pada prototipe sensor maping tekanan berbasis
serat optik adalah sumber cahaya, sensor tekanan serat optik, detektor, Arduino dan
PC. Input berupa cahaya diterima oleh 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
software ORIGIN
dan kemudian
dibuat pemetaan
kontur menggunakan software MATLAB.
Persiapan
Pembuatan program
dengan
Pengolahan data dengan
software Pembuatan
sensor
Analisis
Pengambilan data
Kesimpulan Gambar 3. 1. Diagram alir penelitian
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 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 loss daya sehingga
sensitivitas serat optik akan semakin besar
[6]
.
Gambar 3. 2 Alat penggores fiber
d. Perangkat Pemetaan Beban
Gambar 3. 5 Seperangkat sensor tekanan
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
beban diletakkan, detektor akan menerima intensitas cahaya yang lebih rendah
dibanding tanpa beban.
Gambar 3.6 Pemberian beban pada pad
Pegurangan intensitas yang terjadi adalah karena terjadi loss serat optik pada
bagian grating. Cahaya yang semula terpantul sempurna kemudian berbelok dari
arah transmisi
dan hilang
seperti ditunjukkan
oleh Gambar
3.7. Berkurangnya intensitas tergantung pada
kekuatan transmition loss.
IV. Hasil dan Pembahasan
