SENSOR PUTARAN BERBASIS SERAT OPTIK YANG BEKERJA ATAS DASAR PEMANTULAN
SENSOR PUTARAN BERBASIS SERAT OPTIK YANG BEKERJA ATAS DASAR PEMANTULAN Disusun oleh:
INTAN FITALIA M0210037 SKRIPSI JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juni, 2014
SENSOR PUTARAN BERBASIS SERAT OPTIK YANG BEKERJA ATAS DASAR PEMANTULAN Disusun oleh:
INTAN FITALIA M0210037 SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Juni, 2014
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul “SENSOR PUTARAN BERBASIS SERAT OPTIK YANG BEKERJA ATAS DASAR PEMANTULAN” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terima kasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 20 April 2014 Intan Fitalia
NIM M0210037
MOTTO
“Berusaha dan Berdo’a, lakukan yang terbaik”
“Satu-satunya jalan untuk mengalahkan ketakutan adalah dengan
menghadapinya”“Jika kau berbuat baik, berarti kamu berbuat baik untuk dirimu sendiri, dan jika
kau berbuat jahat, maka kejahatan itu untuk dirimu sendiri...” (Q.S. Al-Isra’:7)“Ketika kita bergerak semakin cepat, waktu akan bergerak semakin lambat,
tetapi jika kita bergerak semakin lambat waktu akan bergerak semakin cepat” (Albert Einstein)
“Kalau kau tidak bisa menjelaskan dengan gamblang/sederhana, maka kau belum
cukup memahaminya” (Albert Einstein)“Butterflies can’t see their wings. They can’t see how truly beautiful they are, but
everyone else can. People are like that as well. ” (Anonymous)
“Hanya dua cara menjalani menjalani kehidupan kita, pertama adalah seolah
tidak ada keajaiban. Kedua adalah seolah segala sesuatu adalah keajaiban” (Albert Einstein)Dengan penuh rasa syukur kepada Allah SWT dan Nabi Muhammad SAW, karya ini saya persembahkan kepada:
Bapak dan Ibu tercinta, yang senantiasa memberikan kasih sayang dan dukungan kepada penulis, Kakak tersayang, Setya Etika Mulyasari, Simbah tersayang, Almamaterku Universitas Sebelas Maret Surakarta, SMA N 1 Jatisrono, Untukmu Indonesiaku.
Sensor Putaran Berbasis Serat Optik yang Bekerja Atas Dasar Pemantulan
INTAN FITALIA Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Penelitian sensor putaran berbasis serat optik telah dilakukan menggunakan konfigurasi pemantulan. Sistem serat optik dibuat dengan dua buah serat berjenis
Plastic Optical Fiber (POF) berdiameter 0,5 mm. Serat pertama berfungsi sebagai
transmitter yang mentransmisikan cahaya dari sumber menuju reflector. Serat
kedua berfungsi sebagai receiver. Salah satu ujung dari kedua serat dihimpitkan dan dihadapkan tegak lurus reflector yang diletakkan pada sumber putaran. Sensor bekerja dengan prinsip perubahan intensitas yang ditangkap receiver fiber ketika
reflector mengalami putaran. Sumber cahaya yang digunakan berupa Light
Emitting Diode (LED) dan Light Dependent Resistor (LDR) sebagai sensor
cahaya. Variasi dilakukan pada driving voltage, jumlah, ketebalan, dan posisi
reflector , serta jarak pokok serat - reflector. Peningkatan nilai driving voltage
sebanding dengan nilai frekuensi putar terukur. Intensitas cahaya meningkat seiring penambahan ketebalan reflector dan penurunan jarak serat-reflector. Hasil
2
2 penelitian menunjukkan nilai R =0,997 untuk alat dan R =0,998 untuk tachometer.
Dapat dsimpulkan sensor putaran yang telah dibuat bekerja dengan performansi cukup baik. Kata kunci: serat optik, putaran, pemantulan, frekuensi.
Rotational Optical Fiber Sensor Based on Reflection Method
INTAN FITALIA Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,
Sebelas Maret University
ABSTRACT
Experimental analysis of a rotational optical fiber sensor based on reflection method is presented. The sensor system comprises of two strands of Plastic Optical Fiber (POF), with diameter of 0,5 mm respectively. One transmits light to a reflector and the other is used as a receiver. Light Emitting Diode (LED) is used as light source whereas Light Dependent Resistor (LDR) is used as light sensor. To check if the sensor works, the input voltage drives the rotational object was varied so that different rotational speed was obtained. It is observed that the developped fiber sensor can distinguish different rotational speed, i.e, as the input voltage increase, the sensor can show the increase of the rotational speed. Experiment was also performed by varying the distance between fiber and reflector, as well as the dimension and thickness of the reflector. The result
2
2
showed R =0,997 for rotational sensor and R =0,998 for tachometer. The conclusion of this research is sensor works with good performance. Keywords : optical fiber, rotational motion, reflection, frequency.
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan salam senantiasa penulis haturkan kepada Rosulullah SAW sebagai pembimbing seluruh umat manusia.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul ” Sensor Putaran Berbasis Serat Optik yang Bekerja Atas Dasar Pemantulan”. Terselesaikannya Skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi saya. Setelah sekitar satu semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan Skripsi ini tepat waktu. Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya Skripsi ini terselesaikan juga. Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini penulis ucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses pengerjaan Skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan kepada:
1. Bapak Ahmad Marzuki S.Si, Ph.D. selaku Ketua Jurusan Fisika dan pembimbing I Skripsi, yang telah dengan sabar memberikan bimbingan, motivasi, dan arahan selama pengerjaan skripsi.
2. Bapak Drs. Hery Purwanto, M.Sc. Selaku pembimbing II yang telah memberikan banyak masukan serta bimbingan selama pengerjaan skripsi.
3. Bapak Drs. Darsono S.Si, M.Si selaku Pembimbing Akademik, yang selalu mendukung dan mengarahkan dalam masa perkuliahan.
4. Bapak dan ibu tercinta atas semua do’a dan dukungannya baik moril maupun materiil.
5. Kakakku tersayang, Setya Etika Mulyasari atas dukungan yang diberikan.
6. Rekan-rekan laboratorium, Edi Prasetyo dan Ika Dedi Setiadi yang telah banyak membantu selama pengerjaan Skripsi.
7. Hendrik Beni Kiswantoro, yang selalu memberikan semangat dan dukungan dalam pengerjaan skripsi.
8. Bapak dan ibu dosen Jurusan Fisika FMIPA terima kasih atas bimbingannya.
9. Ike, Tia, Ajeng, Rena, Nurul, Aya, Rani, Agung, keluarga besar Inersia fisika angkatan 2010 terima kasih atas kebersamaannya.
10. Keluarga besar Fisika, angkatan 2008-2012.
11. Semua pihak yang telah membantu terselesaikannya skripsi ini, yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Semoga Allah SWT membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amiin. Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan Skripsi ini. Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bermanfaat.
Surakarta, 20 April 2014 Penulis
PUBLIKASI No. Judul Penulis Jenis Publikasi
1. Studi Awal Pembuatan Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik
Intan Fitalia, Edi Prasetyo, Ahmad Marzuki, Hery Purwanto
Prosiding Pertemuan Ilmiah
XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
2. Sensor Putaran Berbasis Serat Optik yang Bekerja Atas Dasar Pemantulan
Intan Fitalia, Ahmad Marzuki, Hery Purwanto
Digital Library Fakultas
Matematika dan Ilmu pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ......................................................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN .......................................................................... iii HALAMAN PERNYATAAN ........................................................................... iv HALAMAN MOTTO ........................................................................................ v HALAMAN PERSEMBAHAN ....................................................................... vi HALAMAN ABSTRAK ................................................................................. vii HALAMAN ABSTRACT .............................................................................. viii KATA PENGANTAR ....................................................................................... ix HALAMAN PUBLIKASI ................................................................................. xi DAFTAR ISI .................................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiv DAFTAR SIMBOL ...........................................................................................xv DAFTAR TABEL ........................................................................................... xvi DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xvii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1
1.1. Rumusan Masalah ................................................................................ 3
1.2. Batasan Masalah .................................................................................. 4
1.3. Tujuan Penelitian ................................................................................. 4
1.4. Manfaat Penelitian ............................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 5
2.1. Teori Optik ........................................................................................... 5
2.1.1. Pemantulan Cahaya ................................................................... 5
2.1.2. Fotometri ................................................................................... 9
2.1.3. Gaussian optic ......................................................................... 10
2.2. Serat Optik ......................................................................................... 12
2.2.1. Rugi-rugi Daya pada Serat Optik ............................................ 15
2.2.1.1. Dispersi Kromatik ....................................................... 15
2.2.1.2. Absorbsi ...................................................................... 17
2.2.1.3. Hamburan Rayleigh ..................................................... 17
2.2.1.4. Rugi-rugi Pembengkokan ............................................ 18
2.2.1.5. Pemantulan Fresnell .................................................... 19
2.2.2. Sensor Serat Optik ....................................................................19
2.2.3. Modulasi Cahaya ..................................................................... 20
2.2.4. Sensor Putaran ......................................................................... 23
2.2.4. Sensor Putaran Berbasis Serat Optik .............................. 25
2.3. Analisa Getaran ................................................................................. 28
2.4. Motor DC ........................................................................................... 29
2.5. Gerak Rotasi ...................................................................................... 30
2.6. Plastic Optical Fiber (POF) .............................................................. 32
2.7. LED (Light Emitting Diode) .............................................................. 33
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...................................................... 34
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................ 34
3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan ....................................................... 34
3.2.1. Alat yang Digunakan ............................................................... 35
3.2.2. Bahan yang Digunakan ............................................................ 35
3.2.3. Software Penunjang ................................................................. 36
3.3. Prosedur Penelitian ............................................................................ 37
3.3.1. Penyiapan Aalat dan Bahan ..................................................... 38
3.3.2. Pembuatan Sensor Putaran ...................................................... 38
3.3.2.1. Rancangan Sistem Serat Optik .................................... 38
3.3.2.2. Pembangkit Putaran .................................................... 38
3.3.2.3. Light Source ................................................................. 40
3.3.2.4. Detektor.........................................................................40
3.3.2.5. Interface ...................................................................... 40
3.3.2.6. Pembuatan Program ..................................................... 41
3.3.3. Pengujian Alat ......................................................................... 45
3.3.4. Set up Alat ............................................................................... 45
3.3.5. Pengambilan Data .................................................................... 46
3.3.12. Analisis .................................................................................. 47
3.3.13. Simpulan ................................................................................ 48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 49
4.1. Hasil Pengujian Komponen ............................................................... 49
4.1.1. Uji Detektor .............................................................................. 49
4.1.2. Uji Sumber Cahaya................................................................... 51
4.1.3. Uji Reflector ............................................................................. 52
4.1.4. Uji ADC.................................................................................... 56
4.2. Data dan Pembahasan ........................................................................ 57
4.2.1. Pengaruh Penambahan Tegangan pada Sumber Putaran ......... 59
4.2.2. Pengaruh Penambahan Jumlah Reflector ................................ 63
4.2.3. Pengaruh Penambahan Jarak Pokok Fiber-Reflector ............... 67
4.2.4. Pengaruh Variasi Posisi Reflector ........................................... 69
4.2.5. Pengaruh Variasi Ukuran Reflector ......................................... 74
4.2.6. Pengaruh Variasi Ketinggian Reflector ................................... 75
4.2.7. Hasil Pengujian Motor DC dengan Tachometer ...................... 77
BAB V PENUTUP ............................................................................................ 79
5.1. Simpulan ............................................................................................ 79
5.2. Saran .................................................................................................. 79
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 80 LAMPIRAN ...................................................................................................... 83
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Peristiwa pemantulan dan pembiasan ........................................... 5Gambar 2.2. Gelombang elektromagnetik .......................................................... 6Gambar 2.3. Perambatan gelombang pada dua medium ..................................... 7Gambar 2.4. Intensitas radiasi ............................................................................. 9Gambar 2.5. Ilustrasi Hukum Kuadrat terbalik................................................. 10Gambar 2.6. Sinar laser eksternal yang difokuskan dengan lensa cembung .... 10Gambar 2.7. Variasi aksial (a) dan transversal (b) pada medan listrik ............. 11Gambar 2.8. Gaussian spherical beam yang merambat pada sumbu z ............ 12Gambar 2.9 Konstruksi dasar serat optik ......................................................... 12Gambar 2.10. Lintasan cahaya dalam serat optik ............................................... 13Gambar 2.11. Sinar datang menuju core dari serat optik dengan sudut kurang dari sudut penerimaan ..................................................... 14Gambar 2.12. Dispersi nol pada dispersi kromatik ............................................. 16Gambar 2.13. Hamburan Rayleigh .................................................................... 17Gambar 2.14. Rugi-rugi pembengkokan makro.................................................. 18Gambar 2.15. Rugi-rugi pembengkokan mikro .................................................. 19Gambar 2.16. Pemantulan Fresnell .................................................................... 19Gambar 2.17. Sensor serat optik modulasi intensitas ......................................... 21Gambar 2.18.Sensor pergeseran modulasi amplitudo sebagai vibrometer optik .......................................................................... 21
Gambar 2.19. Konfigurasi serat optik interferometer Michelson ....................... 23Gambar 2.20. Skema eksperimen Laser Doppler Distance Sensor......................25Gambar 2.21. Skema eksperimen Optical Fiber Reflective Sensor .................... 27Gambar 2.22.Respon serat optik pemantulan terhadap material
reflector yang berbeda ................................................................. 27
Gambar 2.23. Gelombang inharmonik dengan periode T................................... 28Gambar 2.24. Gerakan motor DC ....................................................................... 30Gambar 2.25. Gerak rotasi pada cakram ............................................................ 31Gambar 3.1. Skema rangkaian sensor putaran berbasis fiber optik, 1. Sumber cahaya, 2a. Transmitter Fiber, 2b. Receiver Fiber, 3. Reflector,4. Sumber putaran, 5. Detektor, 6. Kabel penghubung,
7. Interface, 8. Komputer ............................................................. 34
Gambar 3.2. Diagram alir penelitian ................................................................ 37Gambar 3.3. Sistem serat optik, Di mana: 1. Sumber cahaya,2. Transmitter Fiber, 3. Sumber putaran, 4. Reflector,
5. Receiver Fiber, 6. Detektor...................................................... 38
Gambar 3.4. Skema pembangkit putaran ......................................................... 39Gambar 3.5. Skema Sistem mekanik konfigurasi pemantulan ........................ 39Gambar 3.6. Rangkaian Light Source .............................................................. 40Gambar 3.7. Rangkaian detektor pembagi tegangan ....................................... 40Gambar 3.8. Rangkaian Interface .................................................................... 41Gambar 3.9. Flowchart program ...................................................................... 43Gambar 3.10. Program pengukuran frekuensi putar .......................................... 44Gambar 3.11. Skema pengambilan data variasi jumlah reflector ...................... 46Gambar 3.12. Skema pengambilan data variasi posisi reflector......................... 46Gambar 3.13. Skema pengambilan data variasi ukuran reflector ...................... 47Gambar 3.14. Skema pengambilan data variasi ketinggian reflector ................ 47Gambar 4.1. Hasil pengujian detektor cahaya ................................................. 50Gambar 4.2. Hasil pengujian sumber cahaya ................................................... 51Gambar 4.3. Sumber cahaya dengan LED putih .............................................. 52Gambar 4.4. Hasil uji reflector ......................................................................... 53Gambar 4.5. Perubahan intensitas cahaya pada daeraha. reflector b. Nonreflector .......................................................... 53
Gambar 4.6. Grafik intensitas cahaya dan waktu . .............................. 54Gambar 4.7. Sistem mekanik sensor putaran (a) Tampak depan,(b) Tampak samping.................................................................... 55
Gambar 4.8. Hasil uji ADC............................................................................... 56Gambar 4.9. Rangkaian antarmuka yang terhubung dengan detektor .............. 57Gambar 4.10. Grafik fungsi waktu pada tegangan 5,5 Volt................................ 57Gambar 4.11. Grafik fungsi frekuensi pada tegangan 5,5 Volt. ......................... 58Gambar 4.12. Grafik domain waktu (a) dan domain frekuensi(b), dengan driving voltage = 4,5 V ............................................ 60
Gambar 4.13. Grafik domain waktu (a) dan domain frekuensi(b), dengan driving voltage = 6,5 V ............................................ 61
Gambar 4.14. Grafik domain waktu (a) dan domain frekuensi(b), dengan driving voltage = 11 V ............................................. 62
Gambar 4.15. Grafik tegangan masukan motor DC dan frekuensi .................... 63Gambar 4.16. Posisi pada variasi jumlah reflector, a. Satu reflector,b. Dua reflector, c. Tiga reflector ............................................... 64
Gambar 4.17. Hasil pengujian satu reflector ..................................................... 64Gambar 4.18. Hasil pengujian dua reflector ...................................................... 65Gambar 4.19. Hasil pengujian tiga reflector ...................................................... 65Gambar 4.20. Grafik driving voltage versus frekuensi pada jumlahreflector yang berbeda ................................................................. 66
Gambar 4.21. Grafik waktu dan tegangan untuk variasi jarak pokok fiber-reflector (hitam : 0,32 cm, merah : 0,45 cm,dan biru : 0,56 cm) ...................................................................... 68
Gambar 4.22. Reflective Fiber Sensor ................................................................ 69Gambar 4.23. Grafik posisi dan tegangan .......................................................... 73Gambar 4.24. Susunan variasi ukuran reflector ................................................. 74Gambar 4.25. Hasil variasi ukuran reflector ...................................................... 75Gambar 4.26. Susunan reflector untuk variasi ketinggian reflector. .................. 76Gambar 4.27. Hasil variasi ketinggin reflector................................................... 76Gambar 4.28. Perbandingan hasil alat dan tachometer ...................................... 77Satuan = indeks bias udara = indeks bias medium pertama = indeks bias medium kedua = sudut datang Derajat atau radian = sudut refraksi Derajat atau radian = sudut kritis Derajat atau radian = sudut penerimaan Derajat atau radian = sudut datang pada bidang batas core dan cladding Derajat atau radian = Numerical aperture = loss dalam fiber optik deciBell = daya masuk fiber
Watt
= daya keluar fiber
Watt
= medan listrik N/C
= medan magnet T
2
3
= permitivitas bahan (C-s) /kg-m
2
= permeabilitas bahan kg-m/(A-s) = intensitas radiasi = fluks radiasi
Watts
= kecepatan angular rad/s
= jari-jari m
= Operator Laplacian
2
= luasan m
2
= irradiasi
W/m
= jumlah lilitan = 3,14 = amplitudo m
= panjang gelombang nm
= kecepatan tangensial = periode s
= fungsi waktu = fungsi frekuensi = vektor propagasi
8
= kecepatan cahaya dalam ruang hampa 3x10 m/s = koefisien refleksi
= koefisien transmisi = gaya
N = arus
A = hambatan
Ohm = panjang busur lingkaran m
DAFTAR TABEL
Halaman