UJI COBA DAN ANALISIS SENSOR SERAT OPTIK UNTUK WEIGHT IN MOTION (WIM) PADA REPLIKA KENDARAAN STATIS DAN DINAMIS

Transkripsi

1 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 UJI COBA DAN ANALISIS SENSOR SERAT OPTIK UNTUK WEIGHT IN MOTION (WIM) PADA REPLIKA KENDARAAN STATIS DAN DINAMIS Widodo 1, Dwi Hanto 2*, dan Waslaluddin 3* 1,3 Departemen Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung. 2 Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Kompleks Puspiptek Serpong, Setu, Tangerang Selatan widodo@student.upi.edu, waslaluddin@upi.edu ABSTRAK Serat optik dapat digunakan sebagai sensor berat untuk Weight In Motion (WIM) pada replika kendaraan berupa miniatur truk dalam keadaan statis dan dinamis dengan memanfaatkan prinsip mikrobending. Penelitian ini dilakukan untuk mengukur berat miniatur truk statis dan dinamis dengan menggunakan sensor serat optik. Metode yang digunakan adalah melakukan percobaan di Laboratorium. Penelitian ini menggunakan Light Emitting Diode (LED) dengan panjang gelombang 1310 nm, sensor serat optik, serat optik multimode step index, photodetector, Data Acquisition (DAQ), softwere weight in motion sensor yang dibuat oleh Pusat Penelitian Fisika LIPI, dan miniatur truk. Dari hasil karakterisasi sensor diperoleh persamaan untuk mengukur berat miniatur truk statis dan dinamis yaitu BT = (D + B) volt x 11,8 kg/volt + 9,66 kg. Sensor serat optik mampu merespon baik untuk berat miniatur truk antara 22,83 kg sampai 62,85 kg dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam sampai 1 km/jam. Faktor kecepatan mempengaruhi berat miniatur truk yang terukur. Pada nilai kecepatan maksimum 2,5 km/jam, berat miniatur truk dinamis fluktuatif. Hasil pengujian berat kendaraan pada miniatur truk tanpa muatan, miniatur truk dengan muatan 20 kg, dan miniatur truk dengan muatan 40 kg menunjukkan error masing-masing 0,16 %, 2,26 %, dan 7,3 %. Dengan error yang relatif kecil maka sensor serat optik dapat dijadikan sebagai alternatif lain dalam pengukuran berat kendaraan statis maupun dinamis. Kata Kunci : Sensor Serat Optik, Weight In Motion (WIM), Kendaraan Statis dan Dinamis *Penanggung Jawab

2 Widodo, dkk, Uji Coba Dan Analisis Sensor Serat Optik Untuk Weight In Motion (Wim) Pada Replika Kendaraan Statis Dan Dinamis THE TEST AND ANALYSIS OF FIBER OPTIC SENSOR FOR WEIGHT IN MOTION (WIM) TOWARD THE REPLICA OF STATIC AND DYNAMIC VEHICLES ABSTRACT Optical fiber can be used as a weight sensor for Weight in Motion (WIM) toward the replica of miniature truck in a static and dynamic condition by using the principle of micro bending. This research was conducted to measure the weight of the static and dynamic miniature trucks using fiber optic sensors. The methods used are conduct experiments in the laboratory. This study also used a Light Emitting Diode (LED) with a wavelength of 1310 nm, optical fiber sensors, step-index multimode optical fiber, power meter, photo detector, Data Acquisition (DAQ), software weight in motion sensor made by the Physics Research Center of LIPI, and miniature trucks. The results shows that to measure the weight of static and dynamic miniature trucks can be used the equations that obtained from the characterization of optical fiber sensors which BT = (D + B) x 11.8 kg volt / volt kg. Fiber optic sensors are able to respond well of truck miniature weight between kg to kg at speeds approaching 0.5 km / h to 1 km / h. Speed factors affecting the measured weight of miniature trucks, which the value of the maximum speed 2.5 km / h, the dynamic truck miniature weight is volatile. the last are results of unladed miniature truck, then truck with a load of 20 kg, and a miniature truck with a load of 40 kg shows that error respectively 0.16%, 2.26% and 7.3%. The error is relatively small, so the fiber optic sensors can be used as an alternative for the measurement of static and dynamic vehicle weight. Keywords: Optical Fiber Sensors, Weight In Motion (WIM), Static and Dynamic Vehicles PENDAHULUAN Pengawasan terhadap sarana dan prasarana pada sistem transportasi merupakan hal yang harus dilakukan pemerintah untuk menunjang proses perkembangan ekonomi rakyat. Salah satu upaya pemerintah dalam melakukan pengawasan tersebut adalah dengan mengoperasikan jembatan timbang yang hasilnya dapat digunakan dalam perencanaan transportasi (Amil, dkk. 2013, hlm. 18). Namun demikian penggunaan jembatan timbang masih banyak mengalami kendala diantaranya biaya kontruksi dan pemeliharaan yang mahal (Wahyu, dkk. 2014, hlm. 300). Selain itu tidak sedikit muatan sumbu terberat dilapangan lebih besar dari saat dilakukan penimbangan sehingga menyebabkan terjadinya muatan beban yang berlebih (overloading) (Rudy, dkk. 2008, hlm Seiring berkembangnya teknologi, berat kendaraan bisa diukur dengan memanfaatkan teknologi Weight In Motion (WIM), yaitu teknologi pengukuran beban pada kendaraan tanpa henti. Namun demikian, teknologi ini mempunyai beberapa kekurangan diantaranya mudah terkena korosi, kecepatan pengukuran yang rendah, dapat terkena interferensi elektromagnetik, dan memiliki akurasi yang rendah (Hendro, dkk. 2014, hlm. 287). Berdasarkan permasalahan yang diungkapkan di atas, sensor berbasis serat optik bisa dijadikan sebagai solusi alternatif untuk mengatasi permasalahan pada teknologi Weight In Motion (WIM) (Andi, dkk. 2013, hlm. 82). Serat optik merupakan sebuah kaca murni yang tipis, panjang, dan mempunyai diameter dalam orde mikro (Dwi, dkk. 2013, hlm. LPF1346-1). Dalam pengukuran berbasis serat optik, serat optik memanfaatkan

3 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 prinsip pembengkokan yang terjadi ketika sebuah beban berada tepat diatasnya (Andi, dkk. 2012, hlm 179). Serat optik mempunyai beberapa keuntungan diantaranya sensitivitas tinggi, tahan terhadap gangguan elektromagnetik, suhu tinggi dan korosi sehingga serat optik dapat menjadi alternatif untuk mengukur beban (Dwi, dkk. 2013, hlm. LPF1346-1). Penulis sebelumnya telah menunjukkan bahwa sensor beban berbasis serat optik yang memanfaatkan prinsip mikrobending dapat digunakan sebagai alternatif lain dalam pengukuran beban statis maupun dinamis (Andi, dkk. 2012, hlm 179). Oleh karena itu, pada penelitian ini penulis akan melakukan pengukuran berat beban statis dan dinamis dengan menggunakan sensor serat optik dan timbangan digital. Timbangan digital digunakan sebagai pembanding dari hasil pengukuran pada sensor serat optik. Objek yang digunakan dalam penelitian ini yaitu replika kendaraan berupa sebuah miniatur truk. Dalam penelitian ini penulis juga menggunakan sensor kecepatan untuk mendeteksi kecepatan kendaraan dinamis. METODOLOGI PENELITIAN Metode yang digunakan dalam penelitian ini yaitu dengan melakukan percobaan di Laboratorium. Pengukuran berat miniatur truk dilakukan dengan menggunakan timbangan digital. Pengukuran ini merupakan pembanding hasil pengukuran berat menggunakan sensor serat optik. Skema pengukuran ini ditunjukkan pada gambar 1. Berat miniatur truk Timbangan digital Komputer Gambar 1. Skema sensor serat optik Pengukuran ini dilakukan pada miniatur truk statis dan dinamis. Pengukuran berat miniatur truk statis dilakukan dengan meletakkan roda depan dan roda belakang miniatur truk secara bergantian di atas timbangan digital. Timbangan digital akan mendeteksi berat axle load roda depan dan roda belakang miniatur truk. Data dari timbangan digital akan dikirimkan ke komputer dengan menggunakan kabel RS232. Untuk mengetahui berat total miniatur truk dapat dilakukan dengan menjumlahkan berat axle load roda depan dan roda belakang miniatur truk. Pengukuran berat miniatur truk statis dilakukan dalam 3 keadaan yaitu keadaan miniatur truk tanpa muatan, miniatur truk bermuatan 20 kg, dan miniatur bermuatan 40 kg. Sedangkan pengukuran berat miniatur truk dinamis dilakukan dengan mendorong miniatur truk sehingga melaju di atas lintasan. Pengukuran ini dilakukan dalam 3 keadaan seperti keadaan pada pengukuran berat miniatur dinamis. Pada masing-masing keadaan tersebut miniatur truk di dorong dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam, 1 km/jam, 1,5 km/jam, 2 km/jam, dan 2,5 km/jam. Sensor serat optik menggunakan Light Emitting Diode (LED) dengan panjang gelombang 1310 nm, serat optik berbasis mikrobending, dan photodetector. Skema sensor serat optik ditunjukkan pada gambar 2. LED 1310 nm Serat optik berbasis mikrobending Photodet ector Gambar 2. Skema sensor serat optik Seberkas cahaya yang datang dari sebuah LED dengan panjang gelombang 1310 nm dilewatkan pada sebuah serat optik berbasis mikrobending. Serat optik tersebut akan menerima beban sehingga terjadi mikrobending yang menyebabkan intensitas cahaya berkurang. Intensitas cahaya LED ini dideteksi dan dikuatkan oleh photodetector. Output dari photodetector ini berupa tegangan keluaran. Untuk lebih jelas mengenai serat optik berbasis mikrobending ditunjukkan pada gambar 3. Pada pembuatan serat optik berbasis mikrobending menggunakan karet dengan *Penanggung Jawab

4 Widodo, dkk, Uji Coba Dan Analisis Sensor Serat Optik Untuk Weight In Motion (Wim) Pada Replika Kendaraan Statis Dan Dinamis panjang 30 cm, lebar 5 cm, dan tebal 1 cm, serat optik jenis multi mode step index diameter core 50 μm dan cladding 125 μm, bending modulator berupa tusuk gigi dengan panjang 4 cm sebanyak 64 buah, niser silicone rubber produk RTV-586 sebanyak 0,78 liter, hardener sebanyak 5 ml, dan double tip. Mula-mula menempelkan double tip pada karet, mengupas jaket pada serat optik kira-kira sepanjang 40 cm kemudian meletakkan bagian serat optik yang terkupas di tengah karet dengan posisi sejajar dengan panjang karet. Setelah itu meletakkan bending modulator melintang di atas serat optik dengan jarak antar tusuk giginya 1 mm. Tahap berikutnya yaitu melakukan pengecoran menggunakan silicon rubber yang telah dicampur hardener. Setelah pengecoran selesai, sensor dibiarkan hingga mengeras dan siap digunakan. Bending modulator 1mm karet serat optik Gambar 3. Skema serat optik berbasis mikrobending Untuk mengetahui nilai tegangan keluaran axle load roda depan dan roda belakang miniatur truk dibuat skema seperti yang ditunjukkan pada gambar 4. Penelitian ini menggunakan sensor serat optik, akuisi data, komputer, dan miniatur truk.... Sensor serat optik akan mendeteksi berat beban yang ada di atasnya, baik beban itu dalam keadaan statis maupun dinamis. Akibat beban tersebut menyebabkan terjadinya mikrobending sehingga besar intensitas cahaya setelah melalui serat optik menjadi berkurang. Sinyal dari sensor serat optik akan dikonversi menjadi sinyal digital dan akan diolah dengan menggunakan data akuisisi. Besarnya tegangan keluaran axle load roda depan dan roda belakang miniatur truk akan ditampilkan pada komputer. Tegangan keluaran total pada axle load roda miniatur truk merupakan jumlah tegangan keluaran axle load roda depan dan roda belakangnya. Berat miniatur truk dapat diketahui dengan menggunakan persamaan dari hasil karakterisasi sensor serat optik yang digunakan. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran berat miniatur truk statis dengan menggunakan timbangan ditunjukkan pada gambar 5. Pada grafik tersebut, sumbu x menunjukkan jumlah sampel penelitian dan sumbu y menunjukkan berat axle load roda miniatur truk statis tanpa muatan. Berat Miniatur Truk Sensor Serat Optik Komputer Akuisisi Data Gambar 4. Skema pengukuran tegangan keluaran pada roda miniatur truk dengan menggunakan sensor serat optik Gambar 5. Grafik berat axle load roda miniatur truk statis tanpa muatan Berdasarkan gambar 5. didapatkan berat rata-rata axle load roda depan sebesar 14,69 kg dan axle load roda belakang sebesar 8,12 kg. Berat total miniatur truk statis tanpa muatan yaitu

5 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 jumlah berat rata-rata axle load roda depan dan roda belakang yaitu sebesar 22,81 kg. Hasil pengukuran berat total miniatur truk statis dengan muatan 20 kg yaitu 42,77 kg. Sedangkan hasil pengukuran berat total miniatur truk statis dengan muatan 40 kg yaitu 62,66 kg. Hasil pengukuran berat axle load roda miniatur truk dinamis tanpa muatan dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam ditunjukkan pada gambar 6. Secara keseluruhan hasil pengukuran berat axle load roda miniatur truk dinamis tanpa muatan ditunjukkan pada tabel 1. truk fluktuatif untuk kecepatan yang berbeda, hal ini dikarenakan percepatan saat mendorong miniatur truk tidak konsisten ditambah lagi posisi timbangan yang diletakkan dintara lintasan memiliki tinggi yang berbeda dengan lintasannya sehingga menyebabkan timbangan sedikit bergeser dari posisi awalnya. Adapun hasil pengukuran tegangan keluaran pada axle load roda miniatur truk dengan beban 20 kg dan 40 kg dengan kecepatan maksimum 2,5 km/jam menghasilkan berat miniatur truk yang fluktuatif juga. Hasil pengukuran tegangan keluaran axle load roda miniatur truk statis tanpa muatan ditunjukkan pada gambar 7. Pada grafik tersebut, sumbu x menunjukkan jumlah sampel penelitian dan sumbu y menunjukkan tegangan keluaran axle load roda miniatur truk statis tanpa muatan. Gambar 6. Grafik berat axle load roda miniatur truk statis tanpa muatan Berdasarkan gambar 6. hasil pengukuran berat rata-rata axle load roda depan sebesar 15,23 kg dan axle load roda belakang sebesar 8,2 kg. Berat total miniatur truk statis tanpa muatan dengan kecepatan 0,5 km/jam yaitu sebesar 23,43 kg. Tabel 1. Berat miniatur truk dinamis tanpa muatan v (km/jam) Roda Depan (kg) Roda Belakang (kg) Total (kg) Berdasarkan tabel 1. berat axle load roda depan dan roda belakang miniatur Gambar 7. Grafik tegangan keluaran roda miniatur truk statis tanpa muatan Dari hasil pengukuran didapatkan tegangan keluaran rata-rata axle load roda depan sebesar 1,38 volt dan roda belakang sebesar 0,9 volt. Tegangan keluaran total miniatur truk statis tanpa muatan adalah jumlah tegangan keluaran rata-rata axle load roda depan dan roda belakang miniatur truk yaitu sebesar 2,28 volt. Adapun hasil pengukuran tegangan keluaran total pada axle load roda miniatur truk bermuatan 20 kg sebesar 3,78 volt dan hasil pengukuran tegangan keluaran total *Penanggung Jawab

6 Widodo, dkk, Uji Coba Dan Analisis Sensor Serat Optik Untuk Weight In Motion (Wim) Pada Replika Kendaraan Statis Dan Dinamis pada axle load roda miniatur truk bermuatan 40 kg sebesar 4,44 volt. Adapun hasil pengukuran tegangan keluaran axle load roda miniatur truk dinamis tanpa muatan dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam ditunjukkan pada gambar 8. Secara keseluruhan hasil pengukuran tegangan keluaran axle load roda miniatur truk dinamis tanpa muatan ditunjukkan pada tabel 2. Gambar 8. Grafik tegangan keluaran axle load roda miniatur truk tanpa muatan dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam. Berdasarkan gambar 8. hasil pengukuran tegangan keluaran rata-rata axle load roda depan sebesar 0,98 volt dan roda belakang sebesar 0,31 volt. Tegangan keluaran total miniatur truk statis tanpa muatan dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam yaitu sebesar 2,28 volt. Tabel 2. Tegangan keluaran miniatur truk dinamis tanpa muatan v (km/jam) Roda Depan (volt) Roda Belakang (volt) Total (volt) Berdasarkan tabel 2. respon tegangan keluaran axle load roda depan dan roda belakang miniatur truk fluktuatif untuk kecepatan yang berbeda, hal ini dikarenakan percepatan yang diberikan pada miniatur truk tidak stabil, ketinggian sensor serat optik terhadap lintasan tidak rata, dan respon sensor serat optik pada setiap titik tekan akibat axle load miniatur truknya berbeda. Adapun hasil pengukuran tegangan keluaran pada axle load roda miniatur truk dengan beban 20 kg dan 40 kg dengan kecepatan maksimum 2,5 km/jam menghasilkan nilai tegangan keluaran yang fluktuatif juga. Satuan berat seringkali dinyatakan dalam besaran kilogram. Konversi satuan tegangan keluaran dalam kilogram dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran berat total miniatur truk dengan hasil pengukuran tegangan keluaran total miniatur truk. Pembandingan ini dilakukan untuk tiga keadaan miniatur truk yaitu keadaan miniatur truk tanpa muatan, keadaan miniatur truk dengan muatan 20 kg, dan keadaan miniatur truk dengan muatan 40 kg. Konversi satuan kecepatan miniatur truk dalam kilogram dapat dilakukan dengan membandingkan satu nilai kecepatan masing-masing dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam dan 1 km/jam untuk beberapa sampel data nilai tegangan keluaran yang telah dikonversi ke dalam kilogram. Pada nilai kecepatan mendekati 0,5 km/jam dan 1 km/jam, sensor serat optik mampu merespon tegangan keluaran axle load roda miniatur truk dengan konsisten. Hasil konversi satuan tegangan keluaran dalam kilogram berupa persamaan (1). Persamaan ini berlaku untuk berat miniatur truk antara 22,83 kg sampai 62,85 kg dengan rentang kecepatan 0,5 km/jam sampai 1 km/jam. BT = (D + B) x 11,8 kg/volt + 9,66 kg (1) Dimana : BT = Berat total miniatur truk D = Tegangan keluaran roda depan (volt) B = Tegangan keluaran roda belakang(volt) Hasil uji sensor serat optik pada roda miniatur truk bermuatan 20 kg diperoleh

7 Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015 tampilan seperti gambar 9. Berdasarkan hasil pengujian ini, kecepatan miniatur truk sebesar 0,58 km/jam dan nilai tegangan keluaran totalnya 2,73 volt. Berat total miniatur truk yang terukur 41,87 kg. Berat miniatur truk yang sebenarnya 42,85 kg. Error hasil pengukuran terhadap berat sebenarnya yaitu 2,26%. Gambar 9. Tampilan hasil pengujian tegangan keluaran oleh roda miniatur truk dinamis dengan muatan 20 kg Hasil pengujian lain untuk miniatur truk tanpa muatan menghasilkan nilai tegangan keluaran total 1,1 volt dan kecepatan 0,56 km/jam. Berat total miniatur truk yang terukur sebesar 22,64 kg dan berat miniatur truk yang sebenarnya 22,83 kg. Error hasil pengukuran terhadap berat sebenarnya yaitu 0,16%. Sedangkan hasil pengujian untuk miniatur truk bermuatan 40 kg menghasilkan nilai tegangan keluaran total 4,12 volt dan kecepatan 0,53 km/jam. Berat total yang terukur sebesar 58,28 kg dan berat miniatur truk yang sebenarnya 62,85 kg. Error hasil pengukuran terhadap berat sebenarnya yaitu 7,3%. KESIMPULAN Dari hasil karakterisasi sensor diperoleh persamaan untuk mengukur berat miniatur truk statis dan dinamis yaitu BT = (D + B) volt x 11,8 kg/volt + 9,66 kg. Sensor serat optik mampu merespon baik untuk berat miniatur truk antara 22,83 kg sampai 62,85 kg dengan kecepatan mendekati 0,5 km/jam sampai 1 km/jam. Faktor kecepatan mempengaruhi berat miniatur truk yang terukur. Sensor serat optik yang digunakan belum bisa merespon beban di atasnya secara konsisten terutama untuk kecepatan di atas 1 km/jam. Pada nilai kecepatan maksimum 2,5 km/jam berat miniatur truk dinamis fluktuatif, hal ini dikarenakan percepatan yang diberikan pada miniatur truk tidak stabil, ketinggian sensor serat optik terhadap lintasan tidak rata, dan respon sensor serat optik pada setiap titik tekannya berbeda. Hasil pengujian berat kendaraan pada miniatur truk tanpa muatan, miniatur truk dengan muatan 20 kg, dan miniatur truk dengan muatan 40 kg menunjukkan error masing-masing 0,16 %, 2,26 %, dan 7,3 %. Dengan error yang relatif kecil ini maka sensor serat optik dapat dijadikan sebagai alternatif lain dalam pengukuran berat kendaraan statis maupun dinamis. DAFTAR PUSTAKA Ilham, A. A., & Suwoyo. (2013). Rancang bangun sistem otomatisasi pengawasan jembatan timbang dengan mikrokontroler AT89S51. Jurnal Penelitian Enjiniring Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, (hlm ), Makassar. Hidayat, W. dkk. (2014). Analisa cahaya keluaran pada serat optik terbengkokkan untuk aplikasi weight in motion. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Pendidikan Sains IX. Fakultas Sains dan Matematika, UKSW (hlm ), Salatiga. Simatupang, R. H. H. dkk. (2008). Sistem informasi pengawasan kendaraan angkutan barang pada jembatan timbang untuk penentuan pelanggaran muatan lebih dan damage factor. Jurnal Forum Teknik Sipil, 17(2), hlm Novianto, H. dkk. (2014). Pembuatan prototipe sensor beban bergerak berbasis serat optik berbentuk koil dengan interaksi arduino uno dan labview. Prosiding Pertemuan Ilmiah *Penanggung Jawab

8 Widodo, dkk, Uji Coba Dan Analisis Sensor Serat Optik Untuk Weight In Motion (Wim) Pada Replika Kendaraan Statis Dan Dinamis XXVIII HFI Jateng & DIY (hlm ), Yogyakarta. Setiono, A. dkk. (2013). Investasi sensor serat optik untuk aplikasi sistem Pengukuran berat beban dinamis (weight in motion). Telaah Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi, 31(01), hlm Setiono, A. dkk. (2012). Kajian mikrobending sebagai sensor beban berbasis serat optik multimode. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY (hlm ), Yogyakarta. Hanto, D. dkk. (2013). Analisa pengaruh mikrobending untuk aplikasi pada sensor beban berbasis serat optik. Seminar Nasional 2nd Lontar Physics Forum 2013 (hlm. LPF LPF1346-4), Medan.