ANALISIS LEBAR PUNCAK SIGNAL LOSS KELUARAN DARI SENSOR FIBER OPTIK UNTUK KENDARAAN BERJALAN SEBAGAI FUNGSI KECEPATAN

Transkripsi

1 ANALISIS LEBAR PUNCAK SIGNAL LOSS KELUARAN DARI SENSOR FIBER OPTIK UNTUK KENDARAAN BERJALAN SEBAGAI FUNGSI KECEPATAN Disusun oleh : WILLIAM YOHANES S M SKRIPSI PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Februari, 2016 i

2 HALAMAN PERSETUJUAN USULAN PENELITIAN S1 Analisis Lebar Puncak Signal Loss Keluaran dari Sensor Fiber Optik untuk Kendaraan berjalan sebagai Fungsi Kecepatan Diusulkan Oleh William Yohanes S M Telah Disetujui oleh Pembimbing 1 Ahmad Marzuki S.Si., Ph.D.. Tanggal NIP ii

3 HALAMAN PENGESAHAN USULAN PENELITIAN S1 Analisis Lebar Puncak Signal Loss Keluaran Sensor Fiber Optik untuk Kendaraan Berjalan sebagai Fungsi Kecepatan Diusulkan oleh : William Yohanes S M Telah diujikan didepan Dewan Penguji Ujian Proposal Pada tanggal. 1. Ahmad Marzuki S.Si,. Ph.D Tanggal : NIP Drs. Hery Purwanto. M.Sc Tanggal : NIP Tanggal : NIP. 4.. Tanggal : NIP. iii

4 iv

5 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi dengan judul: Analisis Lebar Puncak Signal Loss Keluaran dari Sensor Fiber Optik untuk Kendaraan Berjalan sebagai Fungsi Kecepatan. Yang ditulis oleh: Nama NIM : William Yohanes S : M Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada: Hari Tanggal : Kamis : 3 Maret 2016 Anggota Tim Penguji: 1. Dra. Riyatun, M.Si. NIP Dr. Eng. Kusumandari, S.Si., M.Si. NIP Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. NIP Drs. Hery Purwanto., M.Sc NIP Disahkan pada tanggal ii

6 iii

7 PERNYATAAN KEASLIAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ANALISIS LEBAR PUNCAK SIGNAL LOSS KELUARAN DARI SENSOR FIBER OPTIK UNTUK KENDARAAN BERJALAN SEBAGAI FUNGSI KECEPATAN adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing 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, jika ada maka 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 difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis. Surakarta, Februari 2016 William Yohanes S NIM M iii

8 MOTTO sepintar-pintar nya anak masih pintar kedua orang tuanya karena tanpa perjuangan dan pemikiran kedua orang tua nya maka kepintaran anak tersebut akan sia-sia (My Mother) You ll never know until you have tried (buku sinar dunia) Quitter never win and the winner never quit (Iwan Sunito) diatas langit masih ada langit (anonim) iv

9 PERSEMBAHAN Karya ini kupersembahkan kepada : Ibu dan Bapak-Ku Tercinta Kakak ku ersayang Teman - Teman Fisika 2011 Almamaterku v

10 ANALISIS LEBAR PUNCAK SIGNAL LOSS KELUARAN DARI SENSOR FIBER OPTIK UNTUK KENDARAAN BERJALAN SEBAGAI FUNGSI KECEPATAN WILLIAM YOHANES S Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret ABSTRAK Penyebab Fenomena kerusakan jalan diakibatkan salah satunya yaitu kelebihan muatan. Salah satu teknologi untuk mengatasi faktor kelebihan muatan yaitu menggunakan sensor WIM (Weight In Motion). Tujuan dari penelitian ini adalah merancang sensor WIM berbasis fiber optic skala lapangan dan mengetahui pengaruh kecepatan kendaraan terhadap lebar puncak signal keluaran. Prinsip kerja dari penelitian ini adalah kendaraan dengan muatan yang bervariasi melintasi fiber sensor dan sensor kecepatan dimana fiber sensor digunakan untuk memperoleh signal loss keluaran dari kendaraan ketika melintasi fiber sensor sedangkan sensor kecepatan untuk menentukan kecepatan yang bergerak saat melintasi fiber sensor. Metode skripsi ini adalah menentukan lebar puncak signal loss keluaran yang dihasilkan saat kendaraan menekan sensor sehingga dapat menentukan nilai impuls dan waktu sentuh pada sensor dari kendaraan. Pada Grafik besaran impuls disebut luasan di bawah kurva (A) sedangkan waktu sentuh pada sensor disebut kurva FWHM. Dari eksperimen, diperoleh semakin besar kecepatan kendaraan melintasi fiber sensor maka kurva FWHM dan impulsnya semakin kecil dan jika semakin kecil kecepatan kendaraan melintasi fiber sensor maka kurva FWHM dan impulsnya semakin besar. Nilai tingkat kepercayaan dari hasil uji tekan sampel fiber sensor adalah 92 %. Dari hasil ini penelitian ini disarankan untuk membuat variasi beban kendaraan yang lebih sistematis dan presisi agar didapatkan nilai ketidakpastiannya serta memperhitungkan faktor tekanan ban agar dihasilkan nilai waktu kontak yang lebih akurat. Kata Kunci : Serat Optik, Sensor Beban Bergerak, Kurva FWHM, Luasan dibawah kurva. vi

11 vii

12 THE ANALYSIS OF PEAK WIDTH FROM SIGNAL LOSS OUTPUT ON OPTICAL SENSOR FOR SPEED VEHICLE AS VELOCITY FUNCTION WILLIAM YOHANES S Department of Physics, Mathematics and Natural Science Faculty, Sebelas Maret University ABSTRACT The Phenomenom of damage roads was caused by overloading. One of the technology for contributing overloading problems was Weight In Motion sensor. The purposes of research was designed WIM sensor made fiber optic in the scale field and known factor from vehicle s velocity for peak width signals output. The work principle of research was the vehicles with variance load ran through fiber sensor and velocity sensor which fiber sensor used to get signal loss output while the velocity sensor to got velocity dynamic when ran through fiber sensor.. These method was found peak width from signal loss which released the vehicles run through fibre sensor so found the impules and the pressing time. From the experiments, it could be obtained that the impulse and the pressing time would decrease if the velocity vehicles increased. Impulse was called (area under curve) although pressing time vehicles called (FWHM Curve) in the Graphic. The Precision Number from fiber sensor sampel from pressure test by MTM tool was 96%. From these result, we can suggest for make load variance more systemic and precision so get small error and determine the pressure factor of tire so the pressing time more accurate. viii

13 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi. Doa dan kasih senantiasa penulis haturkan kepada-nya sebagai pembimbing dan seluruh manusia. Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar sarjana sains ini penulis beri judul ANALISIS LEBAR PUNCAK SIGNAL LOSS KELUARAN DARI SENSOR FIBER OPTIK UNTUK KENDARAAN BERJALAN SEBAGAI FUNGSI KECEPATAN. Terselesaikannya skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi saya. Setelah sekitar dua 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 Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan dan saran dalam penyusunan skripsi. 2. Bapak Drs. Hery Purwanto. M.Sc selaku Pembimbing II yang telah memberikan semangat dan bimbingan yang pantang menyerah dalam penyusunan skripsi. 3. Bapak. Dr. Eng. Budi Purnama, M.Si selaku Pembimbing Akademis 4. Bapak, Ibu dosen serta Staff di Jurusan Fisika FMIPA UNS. 5. Ibu dan Bapak, atas semua dukungan doa, kasih sayang, dan kesabaran dalam mendidik. 6. Rekan kerja Lab Optik Dan Fotonik Universitas Sebelas Maret Surakarta 7. Rekan - rekan angkatan Fisika 2011 yang telah memberikan semangat. Semoga Tuhan Yang Maha Esa membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amin. Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini dapat bermanfaat. ix

14 PUBLIKASI Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul ANALISIS LEBAR PUNCAK SIGNAL LOSS KELUARAN DARI SENSOR FIBER OPTIK UNTUK KENDARAAN BERJALAN SEBAGAI FUNGSI KECEPATAN telah dipublikasikan pada satu tempat yaitu Sebelas Maret University Institutional Repository (UNS-IR), pada tanggal 4 Januari 2016, Universitas Sebelas Maret Surakarta x

15 v DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... HALAMAN PERNYATAAN... HALAMAN MOTTO... HALAMAN PERSEMBAHAN... HALAMAN ABSTRAK... HALAMAN ABSTRACT... KATA PENGANTAR... HALAMAN PUBLIKASI... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR SIMBOL... DAFTAR LAMPIRAN... BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Batasan Masalah Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pemantulan dan Pembiasan Anatomi Serat Optik Perambatan Cahaya dalam serat Optik Pemantulan Internal Total Numerical Aperture Rugi-rugi pada Fiber Optik Pembengkokan Makro Pembengkokan Mikro Jari-jari Kelengkunga Prinsip dan Tipe Sensor commit Serat to Optik user WIM (Weight In Motion) WIM berbasis Sensor Piezoelektric ii iii iv v vi vii viii ix x xii xiii xvi xviii

16 vi Pembengkokan Makro (Macro Bending) WIM berbasis serat optic Tumbukan dan Impuls Kecepatan Kekalan Energi dan Momentum dalam Tumbukan Akuisisi data. 20 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan yang Penelitian Alat yang Digunakan Bahan yang Digunakan Software Penunjang yang Digunakan Metode Penelitian Penyiapan Alat dan Bahan Pembuatan fiber sensor dan sampel karet RTV Pembuatan Sumber Cahaya, Kotak Hitam Detektor Cahaya Pembuatan ADC Arduino dan Perangkat lunak Pengujian Beban Pengujian Elastisitas tekanan dengan karet RTV Proses Pengambilan Data Analisa Data BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Penelitian Uji Kebocoran kotak hitam Sistem ADC dan program akuisisi data Fiber Sensor Pengujian modulus young fiber sensor Kalibrasi Data Signal Loss keluaran sebagai fungsi kecepatan Pengaruh Kecepatan pada Tinggi Puncak Terukur 46 BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN. 54

17 vii DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1. Pengambilan data Kurva FWHM Tabel 3.2. Pengambilan data luasan dibawah kurva (A) Tabel 4.1. Penjelasan Fitur Perangkat Lunak Tabel 4.2. Data Hasil Pengujian Karet RTV

18 viii DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Sudut pantul ϴ 1 sama dengan sudut datang ϴ Gambar 2.2. Struktur Serat Optik... 7 Gambar 2.3. Pemantulan internal total... 8 Gambar 2.4. Mekanisme Jalannya Cahaya pada Peristiwa Pembengkokan Macro Gambar 2.5..Peristiwa rugi-rugi akibat pembengkokan Mikro. 10 Gambar 2.6 Grafik rugi-rugi dari Bending terhadap variasi jumlah lilitan pada serat optic Gambar 2.7. Tipe dan Sensor Serat Optik Gambar 2.8 WIM berbasis Piezoelektric 13 Gambar 2.9. WIM berbasis Bending Plate Gambar 2.10 WIM berbasis serat optik Gambar Gaya rata-rata bekerja F dalam selang waktu Δt menghasilkan impuls yang sama (F Δt ) seperti gaya sebenarnya Gambar 2.12.Skema sensor serat optik Gambar 3.1. Diagram Alur Penelitian Gambar 3.2. Fiber Sensor Gambar 3.3. Cetakan gypsum Gambar 3.4. Silinder Berulir Gambar 3.5. Tabung Gambar 3.6. Pompa Gambar 3.7. Rangkaian detektor cahaya Gambar 3.8. Rangkaian sumber cahaya Gambar 3.9. Interface Arduino IDE Gambar Pin out board Arduino Gambar 3.11 Display Photogate Velocity Meter.. 33 Gambar Puncak-puncak transmitansi pada beban kendaraan Gambar 3.13.Lebar ban kendaraan menyentuh Fiber sensor Gambar 4.1. Display Sistem Weight In Motion Data Acquisition Gambar 4.2. Cetakan Gypsum Gambar 4.3. Silinder Berulir. 39 Gambar 4.4. Pelapisan Fiber Sensor Gambar 4.5. Fiber sensor sebelum commit dilakukan to user tekana Gambar 4.6. Grafik hubungan gaya dan pertambahan panjangan pada Fiber sensor Gambar 4.7. Fiber Sensor di Tersusun rapianggap sebagai kumpulan pegas yang... 42

19 ix Gambar 4.8. Pegas yang terkena gaya penekan oleh massa Gambar 4.9. Grafik hasil uji tekan fiber sensor 39 Gambar Fiber optic sebelum ditekan Gambar Prinsip pengukuran bobot kendaraan menggunakan jembatan timbang 46 Gambar 4.12 Signal loss keluaran hasil tekanan ban kendaraan Gambar Grafik hubungan FWHM dengan kecepatan pada massa bervariasifiber sensor diberi tekanan.. 48 Gambar Grafik hubungan luasan di bawah kurva dengan kecepatan Pada massa bervariasi Gambar Rugi-rugi transmitansi oleh beban kendaraan berjalan 50 Gambar Hubungan transmitansi dengan waktu pada kecepatan Bervariasi. 52 Gambar Penelitian Batenko pada kecepatan 70 km/jam.. 53 Gambar Penelitian Batenko pada kecepatan 90 km/jam. 53

20 x DAFTAR SIMBOL Satuan n 1 = Indeks Bias Medium Pertama n 2 = Indeks Bias Medium Kedua θ 1 = Sudut Sinar Datang Dengan Garis Normal Derajat θ 2 = Sudut Sinar Bias Dengan Garis Normal Derajat θ c = Sudut Kritis Derajat i = 1 = Sudut Datang Derajat r = Sudut Pantul Derajat θ maks = Sudut Maksimum Derajat Δ = Indeks Bias Relatif Core dengan Cladding NA = Numerical Aparture Derajat V = Parameter Serat Optik π = 3,14 λ = Panjang Gelombang m d = Diameter Core m z = Jarak Penjalaran Gelombang Cahaya m E O = Medan Gelombang Awal J E Z = Medan Evanescent J d p = Penetration Depth m R = Radius Kelengkungan Serat Optik m R c = Jari-jari Kritis (Critical Radius) m K = Kelengkungan m -1 K maks = Kelengkungan Maksimum m T = Transmitansi Cahaya a.u I mod = Intensitas Modulasi Watt/m 2 I ref = Intensitas Referensi Watt/m 2 db = Deci-Bell (Satuan Atenuasi) db P mod = Daya Modulasi Watt P ref = Daya Refernsi Watt C 1 = Konstanta C 2 = Konstanta α = Koefisien Atenuasi km -1 I in = Intensitas Cahaya Masuk Watt/m 2 I out = Intensitas Cahaya Keluar Setelah N Lilitan Watt/m 2 = suhu Celcius r = Radius Core m Δ i = Indeks Bias Relatif Core Dengan Cladding γ B = Pelemahan Intensitas Cahaya db V mod = Tegangan Modulasi Volt V ref = Tegangan Referensi Volt P det = Daya Diterima Detektor Watt P listrik = Daya Masuk Watt a = Faktor Kesebandingan x

21 xi I = Arus Listrik Ampere V in = Tegangan Ateuator Cahaya Volt V out = Tegangan Modulasi Cahaya Volt Δ α = Perubahan Sudut Radian Atau Derajat Δ s = Perubahan Jarak m F = Gaya N k = Kostanta Pegas N/m ΔL = Penambahan Panjang Bahan m A = Luas Bahan m 2 e = Nilai Regangan Bahan N/m 2 σ = Nilai Tegangan Bahan N/m 2 E = Modulus Elastisitas Bahan xi

22 xii DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Tabel pengukuran kebocoran pada kotak hitam Lampiran 2. Pengukuran luasan dibawah kurva(a) pada V bervariasi Lampiran 3. Pengukuran kurva FWHM pada kecepatan bervariasi Lampiran 4. Hasil pengukuran transmitansi dengan keceptan bervariasi Pada massa 3190 kg Lampiran 5. Hasil pengukuran manual jembatan timbang Lampiran 6. Data uji tekan Lampiran 7. Pengukuran puncak transmitansi pada kecepatan bervariasi massa 4374 kg Lampiran 8. Pengukuran puncak transmitansi pada kecepatan bervariasi pada massa 5625 kg Lampiran 9. Pengukuran puncak transmitansi dengan kecepatan bervariasi pada massa 7649 kg xii