PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN BEBERAPA TITIK TARIK

Transkripsi

1 PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN BEBERAPA TITIK TARIK Disusun Oleh: IMAM GHOSSAN ASMAWAN M SKRIPSI PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA November, 2015

2 PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN BEBERAPA TITIK TARIK Disusun oleh: IMAM GHOSSAN ASMAWAN M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA November, 2015 i

3 HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI Penentuan Konfigurasi Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca Model Gabungan Beberapa Titik Tarik Oleh IMAM GHOSSAN ASMAWAN M Telah disetujui oleh ii

4 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi dengan judul: Penentuan Konfigurasi Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca Model Gabungan Beberapa Titik Tarik Yang ditulis oleh : Nama : Imam Ghossan Asmawan NIM : M Telah diuji di depan dewan penguji pada Hari : Kamis Tanggal : 19 November 2015 Dewan Penguji: 1. Mohtar Yunianto, S.Si., M.Si NIP Dr. Fahru Nurosyid, S.Si., M.Si NIP Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D NIP Sorja Koesuma, S.Si., M.Si NIP iii

5 PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN BEBERAPA TITIK TARIK 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 terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, 1 November 2015 IMAM GHOSSAN ASMAWAN iv

6 MOTTO If you can t explain it simply, you don t understand it well enough. (Albert Einstein) Whatever you re, be a good one (Abraham Lincoln) You don t have to be a genius or a visionary or even a college graduate to be successful. You just need a framework and a dream. (Michael Dell) Try not to become a man of success, but rather try to become a man of value. (Albert Einstein) Just follow your heart and go for what you love. (Steve Angello) If something is important enough you should try, even if the probable outcome is failure. (Elon Musk) Failure is an option here, if thing are not failing, you are not innovating enough. (Elon Musk) v

7 PERSEMBAHAN Karya ini kupersembahkan kepada: Ibu dan Bapak Tercinta Adik-adikku Tersayang Sahabat-sahabatku Almamaterku Tanah Airku vi

8 Penentuan Konfigurasi Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca Model Gabungan Beberapa Titik Tarik IMAM GHOSSAN ASMAWAN Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Skripsi ini berisikan tentang penelitian mengenai penentuan konfigurasi sensor tanah longsor berbasis fiber optik kaca model gabungan beberapa titik tarik. Sistem sensor yang dikembangkan menggunakan prinsip modulasi intensitas macrobending loss. Bagian utama dari sensor ini terdiri dari sensor pergerseran fiber, piranti linier mekanis, dan juga piranti SMS gateway yang dilengkapi dengan piranti alarm. Dengan terintegrasi terhadap teknologi SMS gateway sehingga dapat mengirimkan sinyal ketika tercapai kondisi kritis. Pengambilan data dilakukan dengan melilitkan fiber optik dalam rubber silicon dengan variasi diameter yaitu 1 cm; 1,5 cm; 2 cm; dan 2,5 cm. Jumlah lilitan pada tiap variasi diameter juga divariasi yaitu antara 1 lilitan hingga 10 lilitan. Fiber koil yang terbentuk diberi penekanan yang mengakibatkan perubahan intensitas cahaya keluaran pada fiber optik. Perubahan intensitas cahaya tersebut akan dibaca oleh program interface yang telah dibuat menggunakan software LabView Dari macam-macam konfigurasi yang diteliti didapatkan bahwa daerah loss dengan konfigurasi diameter 2,5 cm dan 10 jumlah lilitan memiliki tren grafik yang linier. Dari hasil penelitian ini juga membuktikan bahwa konfigurasi tersebut memiliki sensitifitas terbaik sehingga diterapkan pada tiap sistem titik tarik yang masingmasing terintegrasi pada piranti SMS gateway. Sensor ini telah dilakukan simulasi pada model longsor dan mampu mengirimkan sinyal SMS ketika pergeseran tanah dicapai sebesar 4 cm. Hal ini berlaku juga pada tiap titik tarik pada sistem sensor. Kata kunci : sensor tanah longsor, sensor fiber optik, multipoint sensor, SMS Gateway, macrobending loss vii

9 Determine Configuration of Landslide Sensor Based on Glass Optical Fiber with Multi-Monitoring Model IMAM GHOSSAN ASMAWAN Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University ABSTRACT Determine configuration of landslide sensor based on glass fibre optical multi-monitoring model has been researched. This sensor developed using intensity modulation principle macrobending loss. Mainly part of this sensor consist of displacement fibre sensors, mechanical displacement sensors, and Short Messaging Service (SMS) gateway equipped with a siren. This sensor can send a signal SMS when critical condition has been reached. Optical fibre sensors made by wrapping a glass optical fibre around a holey elastic cylinder. The elastic cylinder made with diameter of 1 cm; 1,5 cm; 2 cm; & 2,5 cm. The number of turn for each diameter was varied from 1 turn to 10 turns. A coil fibre gave pressured would made a changed of output light intensity. This changed would read by interface program has made with LabView From the experimental results, we suggest a configuration with 2,5 cm coil diameter and 10 turns has best sensitivity for applied to sensor systems. The configuration looked from linear graph trend about relation between light loss and displacement. The sensor has been simulated on landslide model and it could sent a warning SMS when critical displacement reached, for example 4 cm. This work occured too in every point of system. Keywords : landslide sensor, optical fibre sensor, multipoint sensor, SMS Gateway, macrobending loss viii

10 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan salam senantiasa penulis haturkan kepada Rasulullah SAW yang telah menjadi panutan serta suri tauladan umatnya. Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN BEBERAPA TITIK TARIK. Terselesaikannya Skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi penulis. 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 (Pembimbing I). 2. Bapak Soerja Koesuma, S.Si., M.Si (Pembimbing II) 3. Ibu Dra. Riyatun, M.Si (Pembimbing Akademis). 4. Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Jurusan Fisika FMIPA UNS. 5. Ibu dan Bapak, atas semua kasih sayang dan kesabaran dalam mendidik. 6. Rekan kerja Laboratorium Optics & Photonics. 7. Rekan-rekan Fisika FMIPA UNS. 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, 01 November 2015 Penulis ix

11 PUBLIKASI Sebagian skripsi saya yang berjudul Pembuatan Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca dengan Metode Penambahan Titik Acuan akan dipublikasikan pada Digital Library Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret. x

12 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PERSETUJUAN... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii HALAMAN PERNYATAAN... iv HALAMAN MOTTO... v HALAMAN PERSEMBAHAN... vi HALAMAN ABSTRAK... vii HALAMAN ABSTRACT... viii KATA PENGANTAR... ix HALAMAN PUBLIKASI... x DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR SIMBOL... xvi DAFTAR LAMPIRAN... xviii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Batasan Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Macam-macam Sensor Tanah Longsor Aplikasi Fiber Optik dalam Sensor Tanah Longsor Pemantulan dan Pembiasan Cahaya Perambatan Cahaya dalam Fiber Optik Rugi-Rugi Kelengkungan Fiber Optik Tanah Longsor Jenis Tanah Longsor BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Alat yang Digunakan dalam Penelitian Bahan yang Digunakan dalam Penelitian Prosedur Penelitian Penyiapan Alat dan Bahan Pembuatan Rubber Silinder Berulir Pembuatan Program Interface Akuisisi Data Pembuatan Piranti SMS Gateway Set-up Peralatan Penelitian Set-up Sensor di Lapangan Pengambilan, Pengolahan, dan Analisis Data xi

13 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasil dan Pembahasan Perangkat Keras Program Interface Akuisisi Data Loss Cahaya Akibat Pergeseran Hubungan Antara Loss Cahaya dengan Transmitansi Aplikasi Sensor Tanah Longsor untuk Lapangan Pemantauan Kecepatan Pergerakan Tanah BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

14 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1. Data Hubungan Transmitansi dengan Kelengkungan dan Jari- Jari Kelengkungan Tabel 3.2. Data Hubungan antara Pergeseran Kecil dan Loss cahaya Tabel 3.3. Data Hubungan Jumlah Lilitan dan Loss Cahaya Tabel 4.1. Fungsi Tombol pada Rangkaian Display Tabel 4.2. Persamaan Garis pada Grafik Hubungan Transmitansi dengan Pergeseran Tabel 4.3. Gradien Garis Loss Cahaya xiii

15 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Hasil Interpretasi Gambar dari Satelit... 8 Gambar 2.2. Hasil Akuisisi Data Menggunakan Metode SAR... 9 Gambar 2.3. Hasil Pengamatan Menggunakan Metode TLS Gambar 2.4. Ilustrasi Pemasangan Hydraulic Jack dan Sensor dalam Metode Seismik Gambar 2.5. (a) Distribusi Sensor Saat Pengukuran dan (b) Skema Sederhana Pengolahan Data Gambar 2.6. Skema Ilustrasi Sistem Monitoring Longsor Gambar 2.7. Pemasangan FBG di dalam Inclinometer Gambar 2.8. Pemantulan dan Pembiasan Cahaya pada Bidang Batas antar Medium Gambar 2.9. Muka Gelombang Cahaya yang Bergerak Maju Gambar Perubahan Kelajuan Cahaya dalam Medium Berbeda Gambar Mekanisme Pembiasan Cahaya Gambar Cahaya Datang yang berada pada Sudut Kritis Gambar Pemantulan Internal Total Gambar (a) Geometri Fiber Optik saat Melengkung dan (b) Penyetaraan dengan Distribusi Indeks Bias pada Fiber Lurus 20 Gambar Grafik Kelengkungan pada y = f(x) Gambar Gaya Gravitasi Tegak Lurus dengan Bidang Datar Gambar Gaya Gravitasi yang Bekerja pada Benda dengan Sudut Kemiringan Tertentu Gambar (a) Butir-Butir Tanah pada Kondisi Kering dan (b) Butir- Butir Tanah yang Telah Disusupi Air Gambar Longsor Translasi Gambar Longsor Rotasi Gambar Longsor Pergerakan Blok Gambar Longsor Runtuhan Batu Gambar 3.1. Skema Tahapan-Tahapan Penelitian Gambar 3.2. Rubber Silinder Berulir Gambar 3.3. Bahan pembuat silinder berulir (a) Silicone Rubber RTV (b) Hardener Silicone RTV Gambar 3.4. Flowchart Program Interface Akuisisi Data Gambar 3.5. Skema Set-Up Peralatan Penelitian Gambar 3.6. Perubahan Bentuk Silinder Berulir (a) Sebelum Pergeseran dan (b) Setelah Pergeseran sejauh d Gambar 3.7. Ilustrasi Set-Up Sensor di Lapangan Gambar 3.8. Gambar 3.9. Skema Sistem Sensor Skema konversi pergeseran tanah ke penekanan fiber optik.. 38 Gambar 4.1. Fiber Koil (a) Sebelum Dilakukan Penekanan dan (b) xiv

16 Setelah Dilakukan Penekanan Gambar 4.2. Perangkat Keras yang Digunakan (a) Mikrokontroler Arduino Uno dan (b) Rangkaian Detektor Cahaya LDR Gambar 4.3. Piranti SMS Gateway Gambar 4.4. Piranti Display Gambar 4.5. Tampilan Program Interface Akuisisi Data Gambar 4.6. Fiber Optik yang Dililitkan pada Silinder Berulir Gambar 4.7. Geometri Elips Gambar 4.8. Grafik Hubungan antara Pergeseran dengan (a) Gambar 4.9. Kelengkungan dan (b) Jari-Jari Kelengkungan Grafik Hubungan antara Transmitansi dengan Pergeseran Kecil pada Diameter Lilitan (a) 1,0 cm; (b) 1,5 cm; (c) 2,0 cm; dan (d) 2,5 cm Gambar Perambatan Cahaya dalam Fiber Optik Terlilit pada (a) Kondisi Normal dan (b) Saat diberi Penekanan Gambar Grafik Hubungan antara Jumlah Lilitan dengan Gradien Garis Transmitansi Gambar Grafik Hubungan Diameter Lilitan dengan Gradien Garis Gambar Grafik Hubungan antara Loss Cahaya dengan Pergeseran pada Diameter Lilitan (a) 1,0 cm; (b) 1,5 cm; (c) 2,0 cm; dan (d) 2,5 cm Gambar Daerah Sensing yang Baik pada Diameter 2,5 cm dengan 10 Lilitan Gambar Profil Daerah Sensing untuk Diterapkan di Sistem Sensor Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Piranti Linier Mekanis... Media Alat yang Digunakan untuk Pergeseran Tanah... Tali yang terhubung ke Piranti Linier Mekanis dan juga User... Uji Sensor Lapangan (a) Piranti Linier yang langsung terintegrasi Sensor dan (b) Ilustrasi Pemasangan Patok yang terhubung ke Piranti Linier Mekanis... SMS berisi Peringatan Bahaya... Ilustrasi Desain untuk Penerapan Sensor di Lapangan... Pola Grafik Pengujian Sensor (a) Hubungan Pergeseran Tanah dengan Waktu dan (b) Hubungan Kecepatan Tanah dengan Waktu... Tipikal Grafik terjadinya Longsor ditinjau dari Kecepatan Tanah dengan Waktu Pantau xv

17 DAFTAR SIMBOL Satuan θ 1 = Sudut datang Derajat θ 2 = Sudut bias Derajat n 1 n 2 r t = Indeks bias medium pertama = Indeks bias medium kedua = Koefisien refleksi = Koefisien transmisi E r = Banyaknya sinar pantul Watt/m 2 E i = Banyaknya sinar datang Watt/m 2 E t = Banyaknya sinar bias Watt/m 2 P i = Energi sinar datang Watt P r = Energi sinar pantul Watt P t = Energi sinar bias Watt R r T t = Reflekstansi = Transmitansi θ c = Sudut kritis Derajat θ a = Sudut penerimaan Derajat n 0 n core n cladding NA Indeks bias udara = Indeks bias core = Indeks bias cladding = Numerical Aperture τ = Sudut antara sumbu x dengan garis singgung Derajat s = Jarak antara titik P dan Q m τ = Perubahan sudut garis singgung τ Derajat K = Kelengkungan fiber optik mm -1 R = Jari-jari kelengkungan fiber optik mm α = Koefisien loss cahaya akibat bending C 1 = Konstanta 1 C 2 = Konstanta 2 xvi

18 I out = Intensitas cahaya keluaran Watt/m 2 I in = Intensitas cahaya masukkan Watt/m 2 N = Jumlah lilitan P mod = Daya modulasi Watt P ref = Daya referensi Watt P = Daya Watt V = Tegangan Volt R Ω = Hambatan Ohm V ref = Tegangan referensi Milivolt V mod = Tegangan modulasi Milivolt g = Gravitasi bumi (9,8 ms -2 ) g p g t = Gravitasi tegak lurus bidang miring = Gravitasi searah bidang miring W = Gaya berat Newton m = Massa kg d = Perubahan jarak penekanan mm a = Jari-jari sumbu horizontal elips mm b = Jari-jari sumbu vertikal elips mm π = 3,14 r = Jari-jari lingkaran mm x = Sumbu x y = Sumbu y Kmax = Kelengkungan maksimum mm -1 R 2 = Nilai linieritas grafik L = Panjang fiber optik m no ne χ = Indeks bias fiber lurus = Indeks bias efektif = Efek akomoodasi elastik xvii

19 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Block Diagram Program Interface Akuisisi Data Lampiran 2. Data Penelitian (Diameter koil 1,0 cm) Lampiran 3. Data Penelitian (Diameter koil 1,5 cm) Lampiran 4. Data Penelitian (Diameter koil 2,0 cm) Lampiran 5. Data Penelitian (Diameter koil 2,5 cm) Lampiran 6. Listing Program Sensor Tanah Longsor Lampiran 7. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 1,0 cm) Lampiran 8. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 1,5 cm) Lampiran 9. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 2,0 cm) Lampiran 10. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 2,5 cm) Lampiran 11. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 1,0 cm) Lampiran 12. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 1,5 cm) Lampiran 13. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 2,0 cm) Lampiran 14. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 2,5 cm) Lampiran 15. Skema rangkaian piranti display Lampiran 16. Skema rangkaian piranti alarm Lampiran 17. Nilai linieritas loss cahaya xviii