DESAIN FIBER SENSOR BERBASIS RUGI-RUGI KARENA BENDING UNTUK STRAIN GAUGE
Widya Carolina Dwi Prabekti, Ahmad Marzuki, Stefanus Adi Kristiawan Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Jalan Ir. Sutami 36 A, Kentingan, Surakarta, 57126, Jawa Tengah, Indonesia
Email : carol.elevenstudent.uns.ac.id
Abstrak
Beton adalah suatu bahan dari campuran agregat ringan alami dan semen sebagai perekatnya. Faktor alam dan muatan yang berlebih dapat membuat keretakan yang dapat
menyebabkan kerusakan. Sehinga perlu dilakukan pengukuran strain untuk mengetahui kondisi dari beton. Tujuan penelitian ini adalah merancang sistem fiber sensor sebagai sensor
strain dan menganalisis sinyal output dari sistem tersebut. Prinsip dari sensor ini adalah memanfaatkan rugi-rugi loss karena pembengkokan makro macrobending pada fiber
optik. Output berupa transmitansi dibaca sistem sensor dan ditampilkan oleh program Intensitymeter pada LabVIEW. Pengujian fiber sensor dilakukan pada sampel polyurethane
dan pada beton, intensitasnya berubah terhadap variasi beban. Hasil penelitian menunjukkan perubahan intensitas cahaya linier terhadap perubahan beban.
Kata kunci : Fiber Sensor, Transmitansi Cahaya, UTM, Bending loss, Strain, POF
I. PENDAHULUAN
Fiber optic atau serat optik telah berkembang dalam berbagai aplikasi yang
tidak hanya sebagai media transmisi untuk komunikasi namun kini serat optik telah
dikembangkan sebagai sensor. Terdapat dua jenis serat optik, yaitu serat optik dari
kaca dan serat optik dari plastik. Serat optik dari bahan kaca memiliki diameter
yag lebih kecil dibandingkan serat optik yang
terbuat dari
plastik. Seiring
berkembangnya ilmu
pengetahuan, penggunaan serat optik plastik telah
digunakan dalam berbagai aplikasi salah satunya adalah untuk sensor [2].
Penggunaan bahan beton hampir terdapat pada semua sarana, salah satunya
adalah jalan raya dan jembatan. Faktor alam dan muatan yang berlebih dapat
menyebabkan kerusakan sehingga dapat
menimbulkan bahaya yang lebih besar. Sehinga perlu dilakukan pengukuran strain
untuk mengetahui kondisi dari struktur beton dapat mengggunakan serat optik
sebagai sensor strain. Penelitian
ini bertujuan
untuk merancang sistem fiber sensor yang
diberngkokkan sebagai sensor strain dan menganalisis sinyal output dari sistem
tersebut. Selain dapat mengembangkan prinsip-prinsip optik untuk diaplikasikan
sebagai sensor, manfaat lain dari penelitian
ini adalah
memberikan pengetahuan mengenai sensor serat optik
untuk aplikasi sensor strain.
II. TINJAUAN PUSTAKA
Cahaya yang merambat melalui medium
yang transparan
menuju permukaan medium transparan lainnya
yang memiliki beda indeks bias akan memungkinkan
terjadinya pemantulan
cahaya sebagian dan sebagiannya lagi diteruskan ke menuju medium transparan
yang kedua. a
Pemantulan internal sempurna Total Internal Reflection
Pemantulan internal
sempurna adalah pemantulan yang terjadi pada dua
medium yang kerapatan optiknya berbeda. Seperti yang dinyatakan oleh hukum
Snell’s. Saat cahaya datang dari medium
yang memiliki indeks bias yang lebih rapat n
1
menuju medium yang indeks biasnya kurang rapat n
2
maka akan dibiaskan menjauhi garis normal. Cahaya akan
mengalami pembiasan menuju indeks bias medium yang lebih rendah dengan sudut i
2
terhadap garis normal. Hubungan antara sudut datang i
1
dan sudut bias i
2
pada Persamaan 2.1.
2.1 sudut kritisnya menjadi:
2.2 Gambar 2.1c adalah pantulan
internal total, yaitu saat sudut datang lebih besar dari pada sudut kritis maka cahaya
dipantulkan kembali. Maka cahaya yang datang
secara keseluruhan
akan dipantulkan ke dalam medium dimana
cahaya datang. b
Numerical Aperture NA Numerical Aperture NA adalah
suatu ukuran
atau parameter
yang merepresentasikan sudut maksimum yang
dapat diterima. Besar nilai Numerical Aperture adalah:
√ 2.3
c Karakteristik Serat Optik
Sensor serat optik memiliki beberapa kelebihan dibandingkan sensor lainnya
antara lain adalah tidak kontak langsung
dengan obyek pengukuran, akurasi lebih tinggi, relatif kebal terhadap induksi listrik
maupun magnetik, dapat dikendalikan dari jarak jauh, yang dapat terhubung dengan
sistem komunikasi data melalui perangkat antar muka interface serta lebih kecil dan
ringan. Serat optik terdiri dari tiga bagian ; core, cladding, dan coating. Core inti
adalah material silinder dielektrik yang indeks biasnya lebih besar daripada
cladding. Cahaya yang masuk ke dalam serat optik dapat merambat dari ujung serat
optik yang satu menuju ujung yang lainnya.
d Rugi-Rugi Daya Serat Optik
Pelemahan rugi-rugiloss adalah melemahnya
cahaya akibat
adanya kebocoran atau hilang. Besaran pelemahan
daya pada serat optik dinyatakan sebagai perbandingan antara daya pancaran awal
terhadap daya
yang diterima
dan dinyatakan
dalam deci-Bell
dB. Penyebab yang rugi-rugi daya cahaya pada
serat optik antara lain adalah hamburan Rayleigh,
absorbsi dan
juga pembengkokan bending.
e Pembengkokan bending
Bending dibagi menjadi dua jenis yaitu:
pembengkokan makro
macrobending dan pembengkokan mikro microbending. Rugi-rugi macrobending
terjadi ketika sinar atau cahaya melalui serat optik yang dilengkungkan dengan
jari-jari lebih lebar dibandingkan dengan diameter
serat optik,
sehingga menyebabkan
rugi-rugi. Sedangkan
pembengkokan mikro microbending ini dapat terjadi bila pada serat optik terdapat
lengkungan-lengkungan mikroskopis.
Macrobending pada fiber optik dapat dijelaskan menggunakan kelengkungan
Κ. Ukuran kelengkungan pada kurva dilambangkan dengan Κ yang dinyatakan
Persamaan 2.2.
⁄
2.2 Kurva yang kelengkungannya besar
maka jari-jari kelengkungannya R akan kecil seperti yang ditunjukkan Persamaan
2.3. |
| 2.3 |
⁄
| 2.4
y’ adalah turunan pertama dan y” adalah turunan kedua [1].
Rugi-rugi pada fiber optik yang melengkung akan semakin meningkat jika
jari-jari kelengkungannya
semakin kecil[3].
f Hubungan Transmitansi dengan Loss
Besarnya pelemahan energi sinyal informasi dari serat optik dinyatakan
dalam deci-Bell dB. Transmitansi adalah
kemampuan cahaya untuk dapat melewati suatu penghalang.
2.5 Dimana T adalah transmitansi, I
mod
adalah intensitas modulasi, I
ref
adalah intensitas referensi.
Besarnya loss cahaya yang terjadi akibat adanya bending serat optic dinyatakan oleh
Persamaan 2.6.
2.6 Loss cahaya dapat mempengaruhi
nilai tegangan yang ditangkap detektor sehingga terjadi penurunan. Tegangan
referensi V
ref
yaitu tegangan yang ditangkap detektor dari serat optik yang
tidak diberi perlakuan apapun atau tidak bengkok. Dan tegangan modulasi V
mod
yaitu tegangan yang ditangkap oleh detektor dari cahaya serat optik yang
dimodulasi atau dibending[6]. g
Elastisitas Bahan elastis adalah bahan yang
mudah diregangkan dan dapat kembali ke keadaan semula, jadi elastis adalah sifat
benda dimana benda tersebut akan kembali ke bentuk semula ketika gaya yang bekerja
pada benda
itu dihilangkan.
Pada hakekatnya semua bahan memiliki sifat
elastik meskipun boleh jadi amat sangat kecil [5].
h Tegangan Stress
Batang tegar yang dipengaruhi gaya tarik F ke kanan dan gaya yang sama tetapi
berlawanan arah ke kiri, maka gaya-gaya ini akan didistribusi secara seragam ke luas
penampang batang. Perbandingan gaya F terhadap luas penampang A dinamakan
tegangan tarik : σ =
2.7 dimana, σ = tegangan tarik, Nm2 atau
Pa, F = gaya N dan A = luas permukaan m2 [7].
i Regangan Strain
Regangan atau juga yang biasa disebut dengan derajat deformasi adalah
terjadinya perubahan ukuran sebuah benda karena suatu gaya dalam kesetimbangan
dibandingkan dengan ukuran awal disebut regangan. Suatu batang yang panjang
awalnya dan saat memanjang menjadi
bila pada kedua ujungnya ditarik oleh gaya F. Perubahan panjang
hingga bertambah sebesar , terjadi pada
elemen-elemen batang
tertarik pada
proporsi yang sama pada keseluruhan batang tidak hanya pada ujung-ujung saja.
dapat ditulis seperti berikut:
2.8 dengan
= regangan atau bilangan murni, = panjang batang m,
= panjang
semula m dan ∆ = perubahan panjang m [7].
j Modulus Young
Modulus Young
menunjukkan kecenderungan suatu material untuk
berubah bentuk
dan kembali
lagi kebentuk semula jika diberi gaya.
2.9
k Prinsip Sensor Fiber Optik
Pada umumnya sensor fiber optik terdiri dari sumber optik Laser, LED,
Laser diode dll., optical fiber, sensing pengubah sinyal optik, sebuah optical
detector dan
pemroses elektronik
computer, oscilloscope, optical spectrum analyzer dll. Prinsip kerjanya yaitu, saat
cahaya dari sumber cahaya masuk ke dalam
fiber optik,
cahaya yang
ditransmisikan fiber
optik kemudian
ditangkap oleh detektor cahaya. Cahaya yang ditangkap oleh detektor masih berupa
sinyal analog kemudian diubah menjadi sinyal digital menggunakan Analog To
Digital Converter ADC. Dan hasil data digital dari ADC masuk ke Personal
Computer PC dan diolah dengan software pengolah data [4]
III.METODOLOGI
a Diagram Alir
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian b
Prosedur Kerja Fiber sensor yang telah dirancang
diberi cahaya. Saat cahaya dari sumber cahaya masuk pada serat optik, sinyal
cahaya yang ditransmisikan serat optik kemudian ditangkap oleh detektor cahaya.
Sinyal yang ditangkap oleh detektor cahaya masih berupa sinyal analog
kemudian diubah menjadi sinyal digital menggunakan ADC. Dan hasil data digital
dari ADC masuk ke personal computer PC
untuk pengolahan
lanjut menggunakan program intensitymeter pada
LabVIEW.
c Mencari jari-jari kritis
Fiber optik dengan variasi diameter bending 0,5cm; 1,0cm; 1,5cm; 2,0cm dan
2,5cm diuji untuk menentukan berapa jari- jari yang tepat untuk digunakan sebagai
fiber sensor. Setelah dilakukan pengujian, hasil menunjukkan fiber optik dengan
diameter bending 0,5cm menunjukkan hasil yang lebih bagus, yaitu sensitif bila
dibandingkan dengan fiber optik yang memiliki bending lebih besar. Pengujian
dilakukan seperti Gambar 3.2.
a Gambar 3.2. Penentuan Jari-jari Kritis
d Mengetahui
Linieritas antara
Transmitansi dan Beban Pengujian dilakukan dengan cara
menempelkan fiber sensor pada material mika.
Gambar 3.3. Pengujian Linieritas Untuk mengetahui adanya hubungan
antara penambahan
beban terhadap
material dengan transmitansi yang terbaca oleh fiber sensor seperti Gambar 3.3.
e Pengujian
Fiber Sensor
Pada Material Uji
Strain adalah selisih dari panjang akhir dan panjang awal perubahan
panjang dibandingkan dengan panjang awal suatu benda persamaan 2.8. Hal ini
dapat disetarakan dengan nilai dari transmitansi dari fiber optik, dimana
selisih transmitansi
dibagi dengan
transmitansi awal: 4.9
Fiber sensor ditempelkan pada material uji polyurethane dan beton.
Kemudian ditarik oleh mesin universal testing machine UTM. Pengjuian pada
polyurethane dan beton dilakukan dengan mesin
UTM yang
berbeda. Nilai
pergeseran pada mesin UTM pengujian polyurethane dapan langsung terbaca oleh
komputer. Sedangkan strain saat pengujian pada beton dapat diketahui dari strain
gauge yang dipasang. Strain gauge inilah yang akan dibandingkan nilai strainnya
dengan fiber sensor. Dan hasilnya, nilai fiber sensor dan strain sesuai. Yaitu,
mengalami kenaikan terhadap penambahan beban.
a
b 3.4. Pengujian Fiber Sensor dengan UTM a
Benda Uji Polyurethane b Benda Uji Beton
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
