Analisis Sinyal Optik yang Dibangkitkan oleh Sensor Bobot Kendaraan Bergerak dalam Skala Laboratorium - UNS Institutional Repository

ANALISIS SINYAL OPTIK YANG DIBANGKITKAN OLEH SENSOR BOBOT KENDARAAN BERGERAK DALAM SKALA LABORATORIUM TESIS

  

Disusun Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mencapai Derajat Magister

Program Studi Ilmu Fisika Oleh AHMAD AFTAH SYUKRON S911508001 PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017

  2017 2.

  

No. Institusi Bidang Ilmu Tahun Gelar

  Motion Applications International Conference on Science and Applied Science

   lysis Signal Optical Fiber Sensor Based On Bend Loss for Weight in

  (ICSAS)

  Analysis of Bend Loss in Loaded Fiber Coil for A Circular and An Elliptical Shape International Conference on Science and Applied Science

   Daftar Karya Ilmiah (dimulai dari yang terakhir)*: No. Judul Penerbit/Forum Ilmiah Tahun 1.

  1. Universitas Sebelas Maret Surakarta Fisika 2011 S.Si g.

  : 085640576261 Fax. : - e-mail : dfata.aftah@gmail.com

  2017 3. Analisis Rugi

  e. Alamat rumah : Ds. Pekalongan RT.06/RW.01 Winong, Pati Tel.

  : - Fax. : - e-mail :

  d. Alamat kantor : - Tel.

  c. Profesi/jabatan : -

  b. Tempat, tanggal lahir : Pati, 12 Desember 1988

  a. Nama : AHMAD AFTAH SYUKRON

  BIODATA

f. Riwayat pendidikan di Perguruan Tinggi (dimulai dari yang terakhir)*:

  (ICSAS)

• –rugi Karena Bengkokan pada Lilitan Serat Optik yang Diberi Penekanan Prosiding Online Seminar dan Diskusi Panel Nasional Fisika Universitas Indraprasta PGRI Jakarta 2017 4.

  Pembuatan Serat Optik dengan Numerical

  Aperture Besar (NA>0,2) dari Bahan Kaca

  SiO

  2 –Na

  Skripsi Fisika FMIPA UNS 2011 5. Penentuan Tingkat Keseragaman Diameter Serat Optik dengan Menggunakan Metode Difraksi

• –Casting

2 O menggunakan Metode Pre

  Prosiding Seminar Nasional Lontar Physics Forum IKIP

  PGRI Semarang 2011

  Surakarta, November 2017 Ahmad Aftah Syukron

  

MOTTO

Dan Kami perintahkan kepada manusia (agar berbuat baik) kepada orang tuanya.

  Ibunya telah mengandungnya dalam keadaan lemah yang bertambah-tambah, dan menyapihnya dalam usia 2 tahun.

  Bersyukurlah kepada-Ku dan kepada kedua orang tuamu.

  Hanya kepada Aku kembalimu.

  (Q.S. Lukman : 14)

  

PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan kepada:

  Bapak Ibuku Tercinta, Kakakku sekeluarga

  Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta

  INDONESIA

  

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr.Wb.

  Alhamdulillahirobbil’alamin, Puji Syukur kehadirat Allah SWT, atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis dengan judul “Analisis Sinyal Optik yang Dibangkitkan oleh Sensor Bobot

  Kendaraan Bergerak dalam Skala Laboratorium ” tanpa halangan suatu apapun.

  Tesis ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari banyak pihak, karena itu penulis menyampaikan terima kasih kepada :

  1. Bapak Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D selaku Pembimbing I yang sudah bersedia dimintai bimbingan, ide serta saran dalam menyelesaikan tesis ini.

  2. Bapak Ir. Ary Setyawan, M.Sc, Ph.D selaku Pembimbing II yang telah mendukung peneliti dalam melakukan penelitian.

  3. Ayah dan Ibu tercinta, serta semua keluarga besar peneliti yang selalu memberikan do’a, perhatian, dan motivasi yang tak terkirakan.

  4. Bapak Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M. Pd., selaku Direktur Program Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.

  5. Bapak Prof. Drs. Cari, M.A., M.Sc., Ph.D., selaku Ketua Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta 6. Bapak dan Ibu dosen serta staff di Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana UNS yang sudah memberikan banyak ilmu kepada peneliti.

  7. Edi Prasetyo, Muchlas Yulianto, dan rekan–rekan Mahasiswa S1 selaku rekan satu bimbingan yang telah membantu dalam melakukan penelitian di Laboratorium optik dan fotonik Program Studi Fisika FMIPA UNS.

  8. Keluarga besar ilmu fisika angkatan Agustus 2015, yang telah memberi motivasi dan semangat kepada peneliti untuk menyelesaikan tesis.

  9. Semua pihak yang telah membantu penulis sehingga laporan penelitian ini dapat terselesaikan dengan baik. Semoga Allah SWT memberikan balasan yang lebih baik atas kebaikan dan bantuan yang telah Anda berikan. Penulis sangat terbuka atas semua kritik dan saran yang membangun. Selain itu semoga isi dari tesis yang telah penulis susun dapat bermanfaat untuk pengembangan penelitian.

  Surakarta, November 2017 Penulis Ahmad Aftah Syukron, S911508001. Analisis Sinyal Optik yang Dibangkitkan oleh

  

Sensor Bobot Kendaraan Bergerak dalam Skala Laboratorium. Tesis. Pembimbing

  I: Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. II: Ir. Ary Setyawan, M.Sc., Ph.D. Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta

  

ABSTRAK

  Sinyal optik merupakan sinyal dari sumber cahaya yang ditransmisikan oleh serat optik. Analisis sinyal optik dilakukan pada perubahan nilai transmitansi ketika sensor dilintasi oleh bobot kendaraan bergerak. Sensor dibuat dengan melilitkan serat optik pada silinder berulir berbentuk elips dan ditanam di dalam pad sensor. Bobot kendaraan bergerak menggunakan truk mainan yang diberi bobot dari anak timbangan. Penelitian ini bertujuan untuk membuat sensor yang lebih efektif dalam pengukuran bobot kendaraan bergerak. Sinyal optik berasal dari sumber cahaya Light Emiting Diode (LED) dan ditransmisikan oleh sensor. Sinyal optik ditangkap oleh detektor Light

  

Dependent Resistor (LDR) berupa sinyal analog. LDR dihubungkan dengan Analog

Digital Converter (ADC) yang mampu mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital.

  Sinyal digital dari ADC dihubungkan ke komputer untuk menampilkan data nilai transmitansi. Program komputer yang digunakan untuk menampilkan data adalah program Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEW) 2012. Pengambilan data dilakukan dengan memvariasi bobot truk pada kondisi statis dan dinamis. Hasil yang diperoleh menunjukkan posisi bobot truk mempengaruhi perubahan nilai transmitansi pada roda depan dan roda belakang. Bobot truk didistribusikan pada kedua sumbu roda sesuai dengan posisi bobot di dalam truk. Sensor ini mampu dilewati oleh truk dengan bobot 14 kg, sedangkan peneliti sebelumnya dengan sensor silinder ulir berbentuk lingkaran hanya sampai bobot 6 kg. Hasil ini menunjukkan model sensor bobot kendaraan bergerak yang dibuat oleh peneliti lebih efektif untuk digunakan dan dilakukan percobaan dalam skala industri jalan raya.

  Kata kunci : Sinyal Optik, Sensor, Bobot Kendaraan Bergerak, Nilai Transmitansi

  Ahmad Aftah Syukron, S911508001. An Analysis of the Optical Signal Generated by

  

Weight In Motion Sensor in the Laboratory Scale. Thesis. First Counselor : Ahmad

  Marzuki, S.Si., Ph.D. Second Counselor : Ir. Ary Setyawan, M.Sc., Ph.D. Physics Study Program of Graduate Program, Sebelas Maret University Surakarta

  

ABSTRACT

The optical signal is a signal from the light source transmitted by fiber optic.

  Analysis of the optical signal carried out the shift of transmittance value when the sensor was crossed by weight in motion. The sensor was made by coiling fiber optic in the elliptical cylinder shape and planted in the pad sensor. Weight in motion use a toy truck by weight of the weights. This research presents made the sensor more effective in weight in motion measurement. The optical signal came from the light source Light Emiting Diode (LED) and transmitted by the sensor. The optical signal be arrested by Light Dependent Resistor (LDR) detector an analog signal. LDR connected with Analog Digital Converter (ADC) which is able to convert analog signal into digital signal. The digital signal from ADC forwarded to the computer for displaying the transmittance value. The PC program used to display data is Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEW) 2012. Data was carried out with variations of load for static and dynamic condition. The results can be concluded that the position of load in the truck is influence of the shift transmittance value on the front tyre and the rear tyre. The loads in the truck distributed on the both of axle due to the position of loads. This sensor can be crossed by truck with the loads of 14 kg, while the previous researcher with the circular cylinder shape sensor only up to 6 kg. This results showed of the weight in motion sensor model made by researcher more effective to used and carried out the experiment in the road industry.

  Keywords : Sensor, Fiber Optic, Weight In Motion, Transmittance Value

  

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................ i

HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................................ ii

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................. iii

HALAMAN PERNYATAAN ................................................................................. iv

HALAMAN BIODATA .......................................................................................... v

HALAMAN MOTTO .............................................................................................. vi

HALAMAN PERSEMBAHAN .............................................................................. vii

KATA PENGANTAR ............................................................................................. viii

ABSTRAK ................................................................................................................ x

ABSTRACT ............................................................................................................. xi

DAFTAR ISI ............................................................................................................ xii

DAFTAR TABEL .................................................................................................... xv

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... xvi

DAFTAR SIMBOL ................................................................................................. xix

  

BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

A. Latar Belakang Masalah ................................................................................ 1 B. Rumusan Masalah ......................................................................................... 3 C. Tujuan Penelitian ........................................................................................... 3 D. Batasan Penelitian ......................................................................................... 4 E. Manfaat Penelitian ......................................................................................... 4

BAB II LANDASAN TEORI .................................................................................. 5

A. Tinjauan Pustaka ........................................................................................... 5 1. Serat Optik ......................................................................................... 5 a. Struktur Serat Optik ............................................................... 5 b. Perambatan Cahaya pada Serat Optik ................................... 6 2. Sensor Serat Optik ............................................................................. 8 3. Gelombang Elektromagnetik ............................................................. 10 4. Rugi–rugi Kelengkungan Serat Optik ............................................... 12 a. Kelengkungan Makroskopik (Macrobending) ...................... 12 b. Kelengkungan Mikroskopik (Microbending) ........................ 14 5. Elastisitas ........................................................................................... 15

  a.

  Tegangan ............................................................................... 16 b.

  Regangan ............................................................................... 16 c. Modulus Elastisitas ................................................................ 17 6. Kecepatan Sesaat ............................................................................... 18 7. Weight In Motion (WIM) ................................................................... 20 a.

  Metode Piezoelectric ............................................................. 21 b.

  Metode Bending Plate Scale.................................................. 22 c. Metode Single Load Cell Scale ............................................. 22 B. Kerangka Berpikir ......................................................................................... 23 C. Hipotesis ........................................................................................................ 24

  

BAB III METODE PENELITIAN ......................................................................... 25

A. Tempat Penelitian .......................................................................................... 25 B. Waktu Penelitian ........................................................................................... 25 C. Tatalaksana Penelitian ................................................................................... 25 1. Alat Penelitian ................................................................................... 26 2. Bahan Penelitian ................................................................................ 26 D. Metode Penelitian .......................................................................................... 27 1. Persiapan Alat dan Bahan .................................................................. 27 2. Pembuatan Sensor WIM .................................................................... 28 3. Pembuatan Sumber Cahaya dan Detektor ......................................... 30 3.1. Pembuatan Sumber Cahaya ...................................................... 30 3.2. Pembuatan Detektor ................................................................. 30 4. Pembuatan Sistem ADC .................................................................... 30 5. Penginstallan Perangkat Lunak (LabVIEW) ..................................... 31 6. Set Up Alat ........................................................................................ 31 7. Pengujian Alat ................................................................................... 31 8. Pengambilan Data .............................................................................. 31 9. Analisis Data ..................................................................................... 32 10. Kesimpulan ........................................................................................ 32

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................. 33

A. Perubahan Bentuk Silinder Ulir dari Lingkaran menjadi Elips ..................... 33 B. Hasil Pembuatan Sensor WIM ...................................................................... 38

  C.

  Pengambilan Data Variasi Bobot .................................................................. 40 1.

  Bobot Statis ....................................................................................... 40 2. Bobot Dinamis ................................................................................... 45 a.

  Variasi Posisi Bobot .............................................................. 46 b.

  Variasi Kecepatan .................................................................. 49 1.

  Analisis Variasi Kecepatan Kendaraan ........................ 49 2. Analisis Variasi Kecepatan Kendaraan dalam Satu

  Grafik ............................................................................ 54

  

BAB V SIMPULAN DAN SARAN ........................................................................ 62

A. Simpulan ........................................................................................................ 62 B. Saran .............................................................................................................. 62

DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 64

LAMPIRAN ............................................................................................................. 66

  

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Rincian Tahap Penelitian .......................................................................... 25Tabel 4.1. Persamaan Garis Waktu Relaksasi Berbagai Variasi Bobot Kendaraan pada Gambar 4.9 ....................................................................................... 44Tabel 4.2. Waktu Relaksasi Beberapa Variasi Bobot Kendaraan dari Gambar 4.9 .. 45Tabel 4.3. Persamaan Garis Variasi Kecepatan Kendaraan dari Berbagai Variasi

  Bobot Kendaraan pada Gambar 4.16 ........................................................ 52

Tabel 4.4. Nilai Konstanta Terhadap Variasi kecepatan Kendaraan dari Tabel 4.3.. 52Tabel 4.5. Nilai lebar lembah terhadap variasi bobot kendaraan ditinjau dari Gambar

  4.18.a ......................................................................................................... 55

Tabel 4.6. Nilai lebar lembah terhadap variasi kecepatan kendaraan ditinjau dari

  Gambar 4.18.b ........................................................................................... 56

Tabel 4.7. Nilai kedalaman lembah terhadap variasi bobot kendaraan ditinjau dari

  Gambar 4.18.a ........................................................................................... 57

Tabel 4.8. Nilai kedalaman lembah terhadap variasi kecepatan kendaraan ditinjau dari Gambar 4.18.b ................................................................................... 57Tabel 4.9. Nilai FWHM dari lembah terhadap variasi bobot kendaraan ditinjau dari

  Gambar 4.18.a ........................................................................................... 59

Tabel 4.10. Nilai FWHM dari lembah terhadap variasi kecepatan kendaraan ditinjau dari Gambar 4.18.b ................................................................................... 59

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Serat Optik ............................................................................................ 5Gambar 2.2. Lintasan Cahaya dalam Serat Optik ..................................................... 6Gambar 2.3. Sinar Cahaya Datang pada Antar Muka Indeks Bias ........................... 7Gambar 2.4. Pantulan Cahaya dengan Sudut datang Besar ....................................... 8Gambar 2.5. Sudut Pantul 90 ................................................................................... 8Gambar 2.6. Sudut Datang > Sudut Kritis ................................................................. 8Gambar 2.7. Struktur Umum Sebuah Sistem Sensor Serat Optik ............................. 9Gambar 2.8. Sensor Serat Optik ................................................................................ 10Gambar 2.9. Medan Listrik pada Gelombang yang Merambat ke Arah z ................. 11Gambar 2.10. Atenuasi Medan Listrik pada Gelombang Elektromagnetik .............. 11Gambar 2.11. Ilustrasi Macrobending ....................................................................... 12Gambar 2.12. Ilustrasi Microbending ........................................................................ 15Gambar 2.13. Grafik Tegangan Terhadap Regangan ................................................ 15Gambar 2.14. Regangan Membujur .......................................................................... 17Gambar 2.15. Ilustrasi Gerak ..................................................................................... 18Gambar 2.16. Ilustrasi Perubahan Posisi benda ........................................................ 18Gambar 2.17. Kurva r Terhadap t.............................................................................. 19Gambar 2.18. Piezoelectric Sensor............................................................................ 22Gambar 2.19. Bending Plate...................................................................................... 22Gambar 2.20. Load Cell ............................................................................................ 23Gambar 3.1. Skema Perangkat Alat Penelitian.......................................................... 26Gambar 3.2. Diagram Alur Penelitian ....................................................................... 27Gambar 3.3. Silinder Berulir ..................................................................................... 28Gambar 3.4. (a) Kayu Silinder Berulir. (b) Cetakan Silinder Berulir ....................... 29Gambar 3.5. Rubber Silinder Berulir (a). tanpa lilitan serat optik. (b). dengan lilitan serat optik ............................................................................................. 29Gambar 3.6. Sensor WIM .......................................................................................... 30Gambar 4.1. Data untuk Silinder Berbentuk Lingkaran ............................................ 34Gambar 4.2. Hubungan Power ratio P /P i dengan Pergeseran ................................. 35Gambar 4.3. Perubahan Cross Section Coil .............................................................. 35Gambar 4.4. Data untuk Silinder Berbentuk Elips .................................................... 37Gambar 4.5. Grafik Transmitansi Terhadap Waktu pada Sensor yang Dilintasi

  Kendaraan Berbobot Secara Statis pada Ban Belakang ....................... 38

Gambar 4.6. Grafik Transmitansi Terhadap Waktu pada Sensor yang Dilintasi

  Kendaraan Berbobot Secara Dinamis .................................................. 39

Gambar 4.7. Grafik Kedalaman Lembah Terhadap Bobot pada Variasi Bobot

  Statis ..................................................................................................... 40

Gambar 4.8. Perbandingan Waktu yang Dibutuhkan Ketika Sensor Menerima Bobot pada Variasi Bobot Statis ..................................................................... 41Gambar 4.9. Nilai Transmitansi dari Waktu Relaksasi Beberapa Variasi Bobot padaGambar 4.8 ........................................................................................... 42Gambar 4.10. Waktu Relaksasi Beberapa Variasi Bobot Kendaraan pada Tabel

  4.2....................................................................................................... 45

Gambar 4.11. Ilustrasi Penempatan Posisi Bobot Kendaraan ................................... 46Gambar 4.12. Data Variasi Posisi Bobot Kendaraan................................................. 46Gambar 4.13. Ilustrasi Distribusi Bobot pada Truk................................................... 48Gambar 4.14. Tampilan data Realtime Variasi Kelajuan dan Bobot kendaraan ....... 49Gambar 4.15. Tampilan data realtime dari Sensor yang dilewati kendaraan Berjalan

  (Batenko et al, 2011) .......................................................................... 51

Gambar 4.16. Nilai Transmitansi Terhadap Variasi Kecepatan dengan Variasi Bobot

  Kendaraan .......................................................................................... 51

Gambar 4.17. Grafik Hubungan antara Kecepatan dengan Nilai Konstanta ............. 53Gambar 4.18. Grafik Variasi Nilai Transmitansi Terhadap Waktu yang Ditinjau dalam Satu Grafik untuk Ban Belakang............................................. 54Gambar 4.19. Grafik Hubungan antara Lebar Lembah Terhadap Variasi Bobot

  Kendaraan Ditinjau dari Gambar 4.18.a ............................................ 56

Gambar 4.20. Grafik hubungan antara lebar lembah terhadap variasi kecepatan kendaraan ditinjau dari Gambar 4.18.b .............................................. 57Gambar 4.21. Grafik Hubungan antara Kedalaman Lembah Terhadap Variasi Bobot

  Kendaraan Ditinjau dari Gambar 4.18.a ............................................ 58

Gambar 4.22. Grafik hubungan antara kedalaman lembah terhadap variasi kecepatan kendaraan ditinjau dari Gambar 4.18.b .............................................. 58Gambar 4.23. Grafik Hubungan antara Nilai FWHM Terhadap Variasi Bobot

  Kendaraan Ditinjau dari Gambar 4.18.a ............................................ 59

Gambar 4.24. Grafik hubungan nilai FWHM terhadap variasi kecepatan kendaraan ditinjau dari Gambar 4.18.b ............................................................... 60Gambar 4.25. Pegas pada saat diberi gaya ................................................................ 60

DAFTAR SIMBOL

  n = Nilai indeks bias medium pertama

  1 n 2 = Nilai indeks bias medium kedua

  = Sudut datang = Sudut bias = Sudut Pantul = Sudut kritis = Medan Listrik = Medan Magnetik = Amplitudo puncak = Frekuensi = Kecepatan sudut = Faktor Propagasi

  n = Indeks bias serat optik pada saat lurus

  = Indeks bias serat optik pada saat dilengkungkan sepanjang y

  x = Posisi pada arah kelengkungan j = Nilai perbandingan Poisson bahan serat optik

  , = Koefisien elastis serat optik

  P(0) = Daya sebelum serat optik dilengkungkan

  = Daya setelah serat optik dilengkungkan sepanjang y = Koefisien rugi –rugi serat optik

  γ

  = Parameter beda indeks bias inti dan selubung serat optik

  R = Jari

• –jari kelengkungan = Jari –jari inti serat optik

  = Fungsi Bessel orde pertama untuk nilai Y

  U,Q ,Y = Parameter serat optik ragam tunggal

  = Panjang gelombang cahaya = Konstanta perambatan cahaya = Indeks bias inti serat optik = indeks bias selubung serat optik

  , = Konstanta terkait dengan parameter –parameter serat optik

  = Nilai rugi

• –rugi kelengkungan

  R c = Jari

• –jari kritis

  NA = Nilai numerical aperture

  = Tegangan (N/m² atau Pascal (Pa))

  F = Gaya aksial (N)

2 A = Luas Permukaan (cm )

  = Regangan = Panjang batang setelah mengalami regangan (m) = Panjang batang semula (m) = Perubahan panjang (m)

  E = Modulus Young

  = Posisi awal benda = Posisi akhir benda = Perpindahan

  = Waktu yang dibutuhkan untuk bergerak dari titik 0 menuju titik A = Waktu yang dibutuhkan untuk bergerak dari titik 0 menuju titik B = Selang waktu yang diperlukan dari titik A ke titik B = Kecepatan rata

• –rata (m/s) = Vektor kecepatan sesaat (m/s) = Komponen kecepatan sesaat pada sumbu x (

   (m/s))

  = Komponen kecepatan sesaat pada sumbu y (

   (m/s))

  T = Nilai Transmitansi (%) K el = Keliling Elips (cm) a = Jari

• –jari Sumbu Mayor Elips (cm) = Jari

  b –jari Sumbu Minor Elips (cm) r = Jari

• –jari lingkaran (cm)

  d = Pergeseran (mm) H = Kedalaman Lembah (%)

T = Nilai Transmitansi Sensor Sebelum Dilintasi Kendaraan Berbobot

a

  

T s = Nilai Transmitansi Sensor Setelah Dilintasi Kendaraan Berbobot

W = Gaya Berat m = Massa Kendaraan