SENSOR FIBER OPTIK PENDETEKSI GAS DENGAN PRINSIP MEDAN EVANESCENT. Achmad Hasan Noor Majjid*, Hery Purwanto dan Venty Suryanti

Transkripsi

1 SENSOR FIBER OPTIK PENDETEKSI GAS DENGAN PRINSIP MEDAN EVANESCENT Achmad Hasan Noor Majjid*, Hery Purwanto dan Venty Suryanti Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret (UNS) Jl. Ir. Sutami No. 36 A Kentingan, Surakarta * achmadhasn@gmail.com ABSTRAK Gas oksigen merupakan salah satu komponen terpenting untuk kelangsungan hidup manusia. Atmosfer bumi terdiri dari 20,95% gas oksigen, jumlah ini merupakan terbanyak kedua setelah nitrogen 78,08%. Berbagai metode dilakukan untuk mendeteksi keberadaan senyawa gas oksigen. Dalam penelitian ini dibuat sensor biokimia dengan menggunakan serat optik sebagai sensing element. Prinsip kerja sensor serat biokimia adalah dengan memanfaatkan fenomena serapan evanescent dalam serat optik untuk menemukan ciri khusus gas oksigen berdasarkan spektrum serapan dalam serat optik. Penelitian ini membuat serat sensor untuk mendeteksi gas oksigen dengan cara menghilangkan cladding dan sebagian core serat dengan diamplas. Hasil yang diperoleh menunjukkan panjang gelombang cahaya penciri gas oksigen yang diukur dengan spektrometer cahaya adalah pada 656,70 nm. Hubungan tekanan gas oksigen adalah sebanding dengan absorbansi evanescent gas oksigen. Kata kunci: Spektrometer, Serat Optik, Sensor Serat optik, Gelombang Evanescent, Oksigen 1

2 Fiber Sensor Based on Evanescent Field for Characterization Typical Absorption in Gass Achmad Hasan Noor Majjid Physics Department, Faculty of Matehmatics and Natural Sciences, Sebelas Maret University ABSTRACT Oxygen gas is an important component for human survival. Earth's atmosphere consists of 20.95% oxygen gas, this amount is second only to nitrogen 78.08%. In this study, biochemical sensors using fiber optic as the sensing element. Principle of biochemical fiber sensor is to utilize the evanescent absorption phenomena in fiber optic to find a special characteristic absorption spectra of oxygen in fiber optic. In this study, sensing element fiber sensor to detect oxygen was fabricated by polishing cladding and some of core fiber. The results showed that the wavelength characteristics of oxygen as measured by fiber sensor was nm. Oxygen pressure was proportional to evanescent absorbance of oxygen. Keywords: Fiber Optic Spectroscopy, Fiber Sensor, Evanescent wave, Oxygen 2

3 PENDAHULUAN Gas oksigen dipilih sebagai bahan uji dikarenakan gas oksigen mempunyai berbagai manfaat antara lain sebagai bahan bakar roket, ekspedisi luar angkasa, keperluan industri dan keperluan medis di rumah sakit. Sensor serat optik berbasis medan evanescent menggunakan prinsip absorbsi gelombang evanescent pada batas core dan cladding serat optik. Prinsip yang digunakan yaitu dengan memanfaatkan perubahan transmisi cahaya yang melewati sistem sensor serat optik sebagai akibat dari perubahan sifat optik yaitu indeks bias atau spektrum absorbsi dari medium yang melingkupi core serat optik. Prinsip kerja dari sensor serat optik berbasis medan evanescent ini didasari atas perubahan amplitudo atau intensitas cahaya yang ditransmisikan melalui serat optik ketika terdapat gangguan dari luar pada daerah zona sensing (Kumar et al., 2006). Penelitian ini dibuat serat sensor dengan menggunakan serat optik yang sebagian cladding-nya diamplas sebagai zona sensing. Cladding yang diamplas digantikan oleh gas oksigen. Cahaya yang menjalar di serat optik akan berinteraksi dengan gas oksigen pada zona sensing. Dalam hal ini akan dianalisis perubahan absorbsi cahaya terhadap spektrum panjang gelombang yang menjalar dalam serat optik. Sensor serat optik dengan metode modulasi intensitas dan panjang gelombang digunakan untuk menganalisis karakteristik serapan khas evanescent pada gas oksigen ketika berinteraksi dengan zona sensing. TEORI Gelombang evanescent merupakan radiasi elektromagnetik yang memasuki cladding pada jarak yang kecil dan membentuk medan elektromagnetik. Energi gelombang yang dihasilkan akan meluruh secara eksponensial dari batas antara core dan cladding. Adapun fenomena gelombang evanescent. 3

4 Gambar 1. Gelombang evanescent (Maddu, 2007) Menurut Gambar 1 cahaya yang merambat akan memasuki daerah cladding dan energi gelombang akan hilang secara eksponensial secara matematis dapat dirumuskan: E Z = E O e z/d p dimana z adalah jarak penjalaran gelombang cahaya, E O adalah medan gelombang awal dan d p adalah depth penetration yang dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan d p = λ (n 2π 1 2. sin 2 θ n 2 2 ) dimana λ adalah panjang gelombang, θ adalah sudut datang, dan ncore, ncladding adalah indeks bias core dan cladding. Depth penetration adalah kedalaman gelombang yang memasuki cladding dan mengalami pelemahan secara eksponesial. Dalam penerapan gelombang evanescent dapat melakukan proses interaksi dengan gelombang lain yang dilepaskan (Wenging, 2005). Jika gelombang evanescent diabsorpsi oleh medium lain disekeliling core maka attenuasi dari refleksi internal total akan meningkat sehingga sinar yang diluar fiber optik akan mengalami penurunan daya yang berhubungan dengan besarnya absorbs tersebut. PT = P0exp(-γl) Dimana l adalah panjang serat yang dikupas, γ adlah koefisien absorbsi bahan. Besarnya nilai γ = rα maka persamaan dapat dituliskan PT = P0exp(-rαl) α adalah koefisien absorpsi bulk dan r adalah fraksi daya yang ditransmisikan melewati cladding r = P cladding P total Absorbansi dari bahan dapat dituliskan A= log10( P 0 P T ) = rαl 4

5 METODE PENELITIAN ALAT DAN BAHAN Bahan yang digunakan adalah serat optik berjenis Polymer Optical Fiber dan gas oksigen 800 cc dengan kadar kemurnian 99%. Alat yang digunakan adalah Fiber polishing machine, Tabung, LED putih, Detektor, PC, Spektrometer cahaya, dan Adaptor. Software penunjang yang digunakan adalah LabView 2013, Origin Pro 8, dan Microsoft Excel. PEMBUATAN PROBE SENSOR Zona Sensing dibuat dengan menghilangkan sebagian cladding pada serat optik menggunakan fiber polishing machine. Serat optik dipotong dengan panjang tertentu kemudian sebagian cladding dari serat optik dihilangkan menggunakan fiber polishing machine. Pengamplasan dilakukan hingga cladding terkelupas dengan rata seperti terlihat dalam Gambar 3.3. (Stewart et al., 1997). Gambar 2. Sensor serat pada zona sensing PENGUKURAN SERAT OPTIK TERHADAP GAS OKSIGEN Pengujian sampel serat optik yang telah diamplas, satu ujung diletakkan pada light source dekat dengan LED, kemudian serat optik yang telah diamplas tersebut dimasukkan ke kuvet melalui lubang kuvet yang telah dilem sealent sehingga ketika dimasukkan gas tidak bocor. Zona sensing diletakkan di dalam kuvet, kemudian ujung serat optik lain disambungkan ke micropositioner. Skema rangkaian serat sensor dapat dilihat pada Gambar 3.3. Pada saat pengambilan data diusahakan cahaya difokuskan pada detektor sehingga pada terang pusat memiliki puncak tertinggi dan paling terang. Gas yang akan diuji menggunakan spektrometer cahaya ini dialirkan ke dalam kuvet selama 15 menit, kemudian dijalankan program 5

6 LabView. Pada saat pengambilan data ruangan harus benar-benar gelap supaya hasil yang didapatkan sesuai dengan yang diharapkan. gelombang serapan oksigen. Dari semua data yang didapatkan dibuat dua kurva hubungan intensitas atau daya transmisi dengan panjang gelombang serapan oksigen. HASIL DAN PEMBAHASAN PENGUJIAN LED PUTIH DENGAN SPEKTROMETER CAHAYA Gambar 3. Set-up probe sensor serat optik (Moreno et al, 2005) PENGAMBILAN DATA Pengukuran daya transmisi atau intensitas probe serat optik dilakukan untuk perlakuan dengan gas oksigen dan dengan perlakuan tanpa gas oksigen. Dari kurva yang didapat yaitu hubungan antara intensitas terhadap panjang gelombang dapat dibandingkan serapan panjang gelombang serapan serat optik yang diperlakukan dengan oksigen dan serapan serat optik tanpa perlakuan oksigen. ANALISA DATA Teknik analisa data dilakukan setelah semua data dipeoleh, berupa daya transmisi, dan panjang Dari hasil pengukuran, spektrum LED warna putih mempunyai panjang gelombang dari 400 nm sampai 800 nm dan mempunyai dua puncak utama. Puncak pertama pada spektrum warna biru yang mempunyai panjang gelombang rata-rata (465,10±0,07) nm. Puncak kedua terdapat pada spektrum warna merah yang mempunyai panjang gelombang ratarata 575,60nm. LED putih terbentuk dari struktur bahan InGaN-GaN dan fosfor yang berwarna kekuning kuningan dengan spektrum panjang gelombang antara nm. Material InGaN-GaN akan memancarkan warna biru dengan panjang gelombang antara 425 nm nm. Disini GaN sebagai dasar substrat, InGaN sebagai layer aktif, 6

7 Intensitas (mv) Intensitas (mv) kemudian kedua meterial ini diberi penutup (cover) dengan coating fosfor kekuning-kuningan. Pada saat chip LED memancarkan warna biru, kristal pada cover LED akan terstimulasi sehingga membentuk perpaduan warna biru dan kuning. Hasil dari perpaduan ini akan tampak sebagai warna putih. Spektrum LED putih berdasarkan literatur ditunjukkan pada Gambar Panjang Gelombang (nm) Gambar 4. Spektrum panjang gelombang LED putih PENGUJIAN GAS OKSIGEN MENGGUNAKAN SPEKTROMETER CAHAYA Gambar 5. menunjukkan semakin besar tekanan gas oksigen maka nilai intensitas yang dihasilkan semakin kecil. Gambar 4.4 Tanpa O2 1 Tanpa O2 2 Tanpa O2 3 Tanpa O2 4 menunjukkan empat variasi tekanan dengan setiap kenaikan tekanan 2,5 Psi. Variasi tekanannya yaitu 2,5 Psi, 5 Psi, 7,5 Psi, dan 10 Psi Gambar 5. Spektrum panjang gelombang LED putih yang diletakkan pada gas oksigen Pada bagian serat optik tanpa cladding diisi oleh molekul gas oksigen, sehingga intensitas keluaran atau It lebih kecil dari pada zona sensing dalam keadaan kosong atau tanpa sampel. Hal ini dikarenakan gas oksigen yang diuji bertindak sebagai pengganti core dan cladding. Intensitas keluaran yang kecil diakibatkan intensitas cahaya yang masuk pada bagian zona sensing terserap oleh oksigen. Panjang Gelombang (nm) 2,5 Psi 5 Psi 7,5 Psi 10 Psi Tanpa Oksigen 7

8 HUBUNGAN ABSORBANSI EVANESCENT DENGAN TEKANAN GAS OKSIGEN Gambar 6 menunjukkan absorbansi puncak serapan gas oksigen yang terukur pada panjang gelombang 442,70, 487,40, 512,40, 699,20, 656,70,dan 704,50 nm. Puncak tertinggi serapan spektrum cahaya gas oksigen berada pada panjang gelombang 656,70 nm. Gambar 6. Spektrum absorbsi gas oksigen Nilai puncak absorbansi tiap tekanan gas oksigen. Dari nilai puncak tiap tekanan didapatkan nilai sensitivitas sensor tiap tekanan gas oksigen. Sensivitas sensor diambil pada rentang panjang gelombang 653 sampai 661 nm. Sensitivitas sensor untuk tekanan 10 Psi yaitu 95,03% dengan kesalahan relatifnya 4,96%, tekanan 7,5 Psi nilai sensitivitasnya yaitu 95,00% dengan kesalahan relatifnya 5,00%, tekanan 5 Psi nilai sensitivitasnya 95,00% dengan kesalahan relatifnya 5,00%, dan tekanan 2,5 Psi nilai sensitivitasnya 95,44% dengan kesalahan relatifnya 4,55%. Hasil grafik absorbansi oksigen sebagai fungsi panjang gelombang yang menggunakan spectrometer cahaya memiliki kesesuain dengan serapan spketrum oksigen dengan hasil serapan oksigen berwarna merah dan panjang gelombang 656,70 nm. sensitivitas sensor bekerja pada panjang gelombang antara 653 sampai 661nm dan pada rentang pengukuran tekanan antara 2,5 hingga 10 Psi. Sensor gas 8

9 oksigen dengan rata-rata sensitivitas yaitu 95,11%. KESIMPULAN Sensing element serat sensor berbasis medan evanescent yang dibuat dalam penelitian telah dapat digunakan untuk mendeteksi spektrum serapan evanescent dari gas oksigen dengan puncak tertinggi panjang gelombang serapan gas oksigen yang didapat yaitu 656,70nm. Hubungan tekanan dengan absorbansi dari intensitas serapan gas oksigen yang diukur pada rentang tekanan 2,5 sampai 10 Psi dengan setiap kenaikan 2,5 Psi, ditunjukkan dalam grafik spektrum absorbsi gas oksigen. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa tekanan gas oksigen sebanding dengan absorbansi gas oksigen. Hasil ini memiliki kesesuaian dengan hasil yang ditunjukkan oleh literatur sehingga dapat dianalisis bahwa serat sensor berbasis medan evanescent yang dibuat dapat digunakan sebagai sensor gas oksigen. Nilai rata-rata sensitivitas sensor serat optik gas oksigen yang diukur dengan rentang tekanan antara 2,5 sampai 10 Psi dan panjang gelombang 653 sampai 661 nm yaitu 95,11%. DAFTAR PUSTAKA Akhiruddin, M & Zain,H. (2007). Sensor gas amonia dengan pelapisan polianilin pada bagian cladding.ipb,fmipa. Bansal, L. (2004). Development of a fiber optic chemical sensor for detection of toxic vapours. Thesis, Drexel Uiversity Choudhury, P.K., & Toshihiko,Y.( 2004). On the fiber-optic chlorine sensor with enhanced sensitivity based on the study of evanescent field absorption spectroscopy, Optik 115,, (7), Crisp, J., & Elliott, B. (2006). Serat optik: sebuah pengantar. (L. Simarmata, T. Prasetyo, Penyunt., & S. Astranto, Penerjemah, Jakarta: Erlangga. Donlogic, D. (2000). Fiber optic sensors. An introduction and 9

10 over viem, University of Maribor. Emisly. (2001). Pengaruh gas oksigen terhadap fotosintesis tumbuhan hydrilla. IPB, FMIPA Jiaxing, H., Shabnam, V., Richard, B., & Bruce, H. (2003) Polyaniline nanoserats facile synthesis and chemical sensors, J. Am. Chem. Soc, 125, Keiser, G.(2000). Optical serat communications, edition. McGraw-Hill, Inc. second Kukla, A.L., Shirshow, Y.M., & Piletsky, S.A. (1996). Sensors and actuators B,37, Malla, R.B., Send, A., & Garrick, N.W. (2008). A spescial fiber optic sensor for measuring wheel loads of vehicles on highways. Journal Sensors, 8, Morisawa, M. (2001). Plastic optical serat sensor for detecting vaphor phase alcohol. Meas, sci. Teanol Patra, T. (2013). Numerical aperture of a plastic optical fiber. International journal of innovations in engineering and technology (IJIET), 2(1), Pedrotti, F. L. (1993). Introduction to optics. New jersey: Prentice- Hall. Prasetyo, E., Setiyadi, I.D., Marzuki, A., & Setyawan, A. (2014). Identifikasi Unsur-Unsur Berdasarkan Spektrum Emisi Menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan. UNS, FMIPA. Putri, M. (2016). Pengembangan sensir fiber optik berbasis medan evanescent sebagai sensor senyawa (POPs) lindane. UNS, FMIPA Sanguanpong, S. (2000). Fiber Optik Fundamental. Departement of Computer Engineering, Kasertsart University. Sar, S & Zain, H. (2006). Sensor pendeteksi uap HCl dengan fiber yang didoping dengan polianilin. IPB, FMIPA 10

11 Taitt, C.R., Kulagina, N.V., Shaffer, K.M., Anderson, G.P., & Ligler, P.S. (2005). Development of surface plasmon resonance-based immunoassay for listeria monocytogenes. Food Protec. 68: Wang, S. (2004). Sensor pendeteksi gas oksigen dengan metode film tipis. Universitas Andalas, FMIPA. Wenging, C., & Yixiang, D. (2005). Optical Serat-based evanescent ammonia sensor, Sensor and Actuator B