FORMULASI MATEMATIS UNTUK PERANCANGAN SISTEM ALAT UKUR BEBAN KENDARAAN BERJALAN (WIM DEVICE) Rini Khamimatul Ula, Thomas Budi Waluyo, Dwi Hanto

Transkripsi

1 okakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (INOF 2015) Pusat Penelitian Fisika IPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN FORMUASI MATEMATIS UNTUK PERANCANGAN SISTEM AAT UKUR BEBAN KENDARAAN BERJAAN (WIM DEVICE) Rini Khamimatul Ula, Thomas Budi Waluyo, Dwi Hanto Pusat Penelitian Fisika, embaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Kawasan PUSPIPTEK Gedung , Tangerang Selatan, ABSTRAK Kebutuhan masyarakat akan barang dan jasa yang terus meningkat, mengakibatkan bertambahnya jumlah kendaraan logistik sebagai pengguna jalan raya. Dengan kapasitas muatan yang melebihi standar aman, seringkali mengakibatkan kerusakan struktur jalan raya. Sehingga sering terjadi keelakaan yang merenggut banyak korban. Untuk menegah hal tersebut, maka diperlukan alat ukur kendaraan yang terpasang terus menerus di jalan raya. Sistem alat ukur kendaraan berjalan (Weight In Motion, WIM) merupakan sistem ukur yang tidak mengharuskan kendaraan memasuki area tertentu untuk melakukan penimbangan. Sehingga setiap saat dapat mendeteksi beban yang diangkut kendaraan berjalan. Sistem ini salah satunya terdiri dari sensor beban berbasis optik. Prinsip kerja sensor ini adalah jika serat optik berada dalam kondisi terjepit atau tertindih suatu beban (fiber bent) maka di dalam serat optik akan terjadi rugi-rugi (losses) dari intensitas ahaya yang merambat. Oleh karena itu metodologi yang dilakukan adalah dengan melakukan bending pada fiber optik. Untuk mendapatkan desain sensor beban yang optimum, dilakukan analisis matematis untuk menentukan jenis fiber optik yang akan digunakan sebagai sensor beban. Formulasi tersebut dibuat dengan melakukan analisis pengaruh moda fiber, nilai numerial aperture (NA), indeks bias ore dan ladding fiber, modulus Young fiber serta panjang gelombang ahaya yang digunakan terhadap bending loss fiber. Sedangkan untuk menganalisis gaya yang diakibatkan tekanan roda depan dan belakang mengau pada prinsip vehile dynami. Kata kuni: sensor optik, fiber bent,lossis, vehile dynami PENDAHUUAN Kebutuhan masyarakat akan barang dan jasa yang terus meningkat, mengakibatkan bertambahnya jumlah kendaraan logisti yang menggunakan jalan raya. Keberadaan tempat penimbangan tidak sepenuhnya menjamin bahwa kendaraan berat akan mengukur beban muatan yang mereka angkut. Berdasarkan Undang-Undang RI Nomor 22 Tahun 2009 pasal 19, menyatakan bahwa beban maksimum suatu kendaraan adalah 8 ton. Dengan kapasitas muatan yang melebihi standar aman, seringkali mengakibatkan kerusakan struktur jalan raya sehingga sering terjadi keelakaan yang merenggut banyak korban. Untuk menegah hal tersebut, maka diperlukan alat ukur kendaraan yang terpasang terus menerus di jalan raya. Oleh karena itu, diperlukan telaah yang mengkaji prosedur pengukuran berat muatan. Sistem alat ukur kendaraan berjalan (WIM devie) merupakan sistem ukur yang tidak mengharuskan kendaraan memasuki area tertentu untuk melakukan penimbangan. Sehingga setiap saat dapat mendeteksi beban yang diangkut kendaraan berjalan. Sistem alat ukur kendaraan berjalan terdiri dari sensor berat berbasis optik, timbangan, sensor keepatan dan sensor perepatan. Pada penelitian ini difokuskan pada analisis matematis untuk desain sensor berat berbasis optik dan timbangan. Desain sensor berat berbasis optik memanfaatkan fenomena bending pada fiber optik. Sedangkan untuk menganalisis gaya yang _ 74

2 okakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (INOF 2015) Pusat Penelitian Fisika IPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN diakibatkan tekanan roda depan dan belakang pada timbangan menggunakan konsep vehile dynami. Dari tinjauan seara matematis, diharapkan dapat menghasilkan desain sensor berat berbasis optik yang akurat sehingga mampu mendeteksi beban kendaraan walaupun kendaraan dalam kondisi berjalan seara real time. Pakaging sensor yang mampu disisipkan dalam konstruksi bangunan jalan raya, memudahkan kendaraan mengukur beban muatan, tanpa harus memasuki rumah timbangan. Dengan pemasangan sensor berat tersebut diharapkan mampu meminimalkan kendaraan dengan jumlah beban yang melebihi batas aman sehingga memperkeil kerusakan jalan dan terjadinya keelakaan. TEORI DASAR WEIGHT IN MOTION (WIM) Sensor Berat Berbasis Optik Fiber optik adalah pandu gelombang dielektrik yang berbentuk silinder. Fiber opti terdiri dari ore dan ladding, ore sebagai pemandu dan ladding dengan indeks bias bahan lebih keil dari pada ore sebagai pelindung pada bagian luar. Berkas ahaya yang dirambatkan pada fiber optik akan terpandu jika sudut datang pada perbatasan ore dan ladding lebih besar dari sudut kritis, θ C [1]. -1æ n2ö q ç sin (1) è n1 ø dengan n 1 adalah indeks bias ore fiber dan n 2 adalah indeks bias ladding fiber. Indeks bias bahan ore dan ladding mempengaruhi nilai numerial aperture (NA), yakni kemampuan suatu bahan untuk bergabung dengan ahaya di dalam fiber sehingga terjadi pandu gelombang. Sehingga setiap fiber optik memiliki nilai NA yang berbeda. Berdasarkan ukuran ore, fiber optik dibedakan menjadi dua yaitu single mode, fiber optik dengan ukuran ore keil sedangkan fiber optik dengan ore yang lebar digolongkan sebagai fiber optik multimode. Berdasarkan moda dispersinya dibedakan menjadi dua yakni fiber graded index dan step index. Pada umumnya fiber optik digunakan sebagai pemandu ahaya. Namun pada sensor fiber optik memanfaatkan sifat sensitif dari fiber untuk mengubah jumlah masukan sinyal optik yang termodulasi. Intensitas optik akan berubah jika ada faktor pengganggu dari luar sistem, misalnya temperatur, tekanan, perepatan, dan lain-lain. Pada makalah ini, fiber optik digunakan sebagai sensor berat dengan prinsip kerja berdasarkan konsep mirobending seperti pada Gambar 1. Yakni serat fiber pada arah aksial mendapatkan gangguan berupa tekanan akibat beban yang diletakkan di atas deformer. Berdasarkan studi yang telah dilakukan agakos [5], jika fiber optik dibending pada arah aksiall terhadap sumbu optiknya, maka nilai perubahan koefisien transmisi dari ahaya yang merambat pada fiber yang dibending adalah [5]: DT DT DX A p k -1 f DP Beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya perubahan koefisien transmisi optik adalah besarnya beban, periode deformer (jarak antar gigi bending). Nilai periode deformer untuk fiber opti step index ditentukan dengan persamaan [5]: (2) 75

3 okakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (INOF 2015) Pusat Penelitian Fisika IPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN pR ore n1 SI (3) NA Untuk fiber opti graded index: 2pR ore n1 GI (4) NA Vehile Dynami Vehile dynami merupakan salah satu pendekatan yang digunakan untuk menganalisis perubahan-perubahan yang terjadi pada kendaraan ketika berada di permukaan jalan. Perubahan tersebut meliputi keepatan, perepatan dan perlambatan yang dialami oleh kendaraan akibat gaya yang bekerja pada kendaraan. Pada kasus kendaraan berjalan pada lintasan yang lurus, gesekan udara serta jenis ban yang digunakan diabaikan. Gaya normal kendaraan terhadap permukaan jalan saat kondisi diam adalah [5]: N W (5) dengan W adalah berat kendaraan yang dipengaruhi perepatan gravitasi, merupakan jarak antara roda belakang dengan titik berat kendaraan dan adalah jarak antara roda depan dan roda belakang. Berat dynami kendaraan pada bagian roda depan dan belakang pada kondisi statis adalah[5]: b W s W (6) dengan b adalah jarak antara roda depan dengan titik berat kendaraan. METODE PENEITIAN Pada penelitian ini kami menggunakan ranangan eksperimen seperti pada Gambar 1 berikut. Gambar 1. Set up eksperimen untuk untuk Weight In Motion Devie. _ 76

4 okakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (INOF 2015) Pusat Penelitian Fisika IPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN Ketika kendaraan dalam posisi bergerak dan menginjak sensor berat, maka akan terjadi perubahan nilai koefisien transmisi yang selanjutnya dimanfaatkan untuk mengetahui perepatan kendaraan yang selanjutnya digunakan untuk mendeteksi beban kendaraan yang melewati sensor. Pada penelitian ini diasumsikan bahwa kendaraan bergerak dengan keepatan rendah, kendaraan melintas pada permukaan yang rata sehingga diabaikan adanya sudut kemiringan serta mengabaikan aerodynami dari kendaraan. Untuk peranangan sistem sensor berat yang mampu menjangkau beban hingga 8000 N. Maka dilakukan beberapa analisis meliputi jenis fiber yang digunakan, nilai NA fiber, bahan ore fiber, serta pendekatan matematis tentang periode deformer yang optimum untuk beban 8000 N. HASI DAN PEMBAHASAN Formulasi Matematis Untuk Peranangan Sensor Berat Desain sensor yang akan dianalisis seara teori pada penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 2. Formulasi matematis untuk optimasi sensor berat berbasis optik antara lain pada penentuan periode deformer dapat menggunakan Persamaan (3) atau (4) dan pengaruh periode deformer pada perubahan koefisien transmisi akibat perubahan beban yang menekan sensor berat, dianalisis dengan persamaan:! " # $ %& ' ( ) * +,-. / dengan ƴ: koefisien atenuasi fiber, F: perubahan nilai beban, A: luas penampang fiber yang terbending, Λ: periode deformer, Y: modulus Young dari bahan ore fiber, R ore : jari-jari ore fiber, η: jumlah interval bending. Formulasi matematis untuk pengukuran beban ketika kendaraan dalam keadaan diam pada permukaan jalan yang lurus, maka beban pada roda depan kendaraan adalah: W f W (8) sedangkan beban pada roda bagian belakang adalah: b W r W (9) Pada kendaraan yang melaju dengan keepatan rendah dengan lintasan jalan yang lurus, maka beban pada kendaraan bagian depan adalah: æ ax hö W f Wç - (10) è g ø (7) Gambar 2. Desain sensor berat berbasis optik. 77

5 okakarya Ilmiah Nasional Aplikasi Optik dan Fotonik (INOF 2015) Pusat Penelitian Fisika IPI, Tangerang Selatan 9-10 Juni 2015 ISSN sedangkan beban kendaraan pada roda bagian belakang adalah: æ ax hö Wr Wç - (11) è g ø Beban kendaraan sesungguhnya berdasarkan analisis axle load pada kendaraan adalah: W W f + W r KESIMPUAN Untuk mendapatkan desain sensor ukur berat beban kendaraan berbasis optik pada WIM devie diperlukan analisis matematis mengenai: periode deformer, perubahan koefisien transmisi, serta axle load yang terdapat pada roda depan dan belakang kendaraan. DAFTAR PUSTAKA 1. B. E. A. Saleh dan M. C. Teih, Fundamental of Photonis, (John Wiley & sons, 1991). 2. S. F. Knowles dan B. E. Jones, Multiple mirobending optial fibre sensors for measurement of fuel quantity in airraft fuel tanks, Sens. Atuators A 68, (1998). 3. Z. W. Zhu dan D. Y. iu, A novel distributed opti fiber transduser for lanslide monitoring,, Opt. aser Eng. 2011, (2011). 4. X. Yang dan Z. Chen, Textile fiber opti mirobend sensor used for heartbeat and respiration monitoring, IEEE Sensors J. 15(2) (2015). 5. N. agakos dan J. H. Cole, Mirobend fiber opti sensor, Appl. Optis 26(11) (1987). 6. M. Bin dan Xinguo Zou, Study of vehile weight in motion system based on fiber opti mirobend sensor, International Conferene on Intellegent Computation Tehnology and Automotion 2010, (2010). 7. P. J. Cosentino, dkk., Final Report Development of Fiber Opti Dynami Weight in Motion System (NITS, 1997). TANYA JAWAB 1. Pertanyaan dari Nursidik Yulianto (P2F IPI): Apakah sudah ada kajian awal mengenai desain sensor beban sehingga dapat digambarkan seperti yang disajikan dalam penelitian ini? Kajian mendalam sampai dengan sifat bahan itu sendiri bukan hanya periode grating yang harus digunakan? Jawaban: Untuk penelitian awal ini, kami membatasi sampai dengan bagaimana membuat suatu sensor beban yang tidak mudah rusak dari bahan yang tidak lentur. Dalam hal ini kami pilih yaitu akrilik. Kajian awal mengenai sifat bahan yang paling ook untuk sensor ini belum kami lakukan, dan harus dikoordinasikan dengan peneliti dalam bidang material siene. _ 78