DESAIN SENSOR PENGUKUR INDEK BIAS LARUTAN BERBASIS FIBER OPTIK

Transkripsi

1 DESAIN SENSOR PENGUKUR INDEK BIAS LARUTAN BERBASIS FIBER OPTIK Reo Ramandha 1, Wahyudi 2 1 SMP Negeri 3 Sandai, Jalan Raya Desa Petai Patah Kecamatan Sandai Kabupaten Ketapang 2 Prodi Pendidikan Fisika, FPMIPATEK, IKIP PGRI Pontianak, Jalan Ampera No 88 Pontianak 1 reoramandha94@gmail.com Abstrak Tujuan penelitian ini adalah untuk mendesain alat sensor indek bias larutan berbasis fiber optik. Larutan sampel yang digunakan adlah larutan garam dengan konsentrasi 0,5; 1; 1,5; 2; 3 dan 4 molar serta larutan gula dengan konsentrasi 1; 2; 3; dan 4 molar. Indek bias larutan diukur dengan Refreaktometer ABBE. Hubungan antara jarak pergeseran permukaan pemantul (h) dengan intensitas serapan cahaya (ISC) pada receiver fiber optik dianalisis dengan metode grafik untuk menentukan nilai intensitas serapan cahaya ISC maksimum. Hubungan antara indek bias larutan dengan intensitas serapan cahaya ISC maksimum dianalisis dengan persamaan regresi. Hasil analisis data menunjukkan bahwa konsentrasi larutan berbanding lurus dengan indek bias larutan. Semakin besar indek bias larutan maka ISC maksimum juga semakin besar. Telah ditentukan Model Persamaan Regresi yang dapat dijadikan dasar untuk memprediksi indek bias larutan. Kata Kunci: sensor, indek bias, larutan, serat optik. Abstract The aims of this research is to design a refractive index sensor of solutions based on fiber optic. The sample solution used was a salt solution with a concentration of 0.5; 1; 1.5; 2; 3 and 4 molar and a sugar solution with concentration of 1; 2; 3; and 4 molar. The refractive index of the solution is measured by the ABBE Refreactometer. The correlation between the distance of the reflecting surface shift (h) with the intensity of light absorption (ISC) on the fiber optic receiver was analyzed by graph method to determine the maximum value of ISC. The correlation between the refractive index of the solution and the maximum value of ISC was analyzed by the regression equation. The results of the data analysis show that the concentration of the solution is directly proportional to the refractive index of the solution. If the refractive index of the solution is greater then the maximum value of ISC is also greater. The Regression Equation Model has been determined as the basis for predicting the refractive index of the solution. Keywords: sensor, refractive index, solution, fiber optics. PENDAHULUAN Salah satu sifat yang penting suatu medium pada divais optik adalah indek bias (Mallawany, 2002). Indek bias merupakan salah satu sifat yang penting selain sifat absorbansi pada kaca (Marzuki, et.al, 2016) dan dapat dijadiakan standar untuk menentukan sifat dan kemurnian suatu larutan (Parmitasari & Hidayanto, 2013). Indeks bias memainkan peran yang cukup penting di dalam beberapa bidang diantaranya adalah dalam studi karakterisasi optis lapisan tipis Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 377

2 (Saleh, 2003). Dalam bidang spektroskopi, indeks bias dapat digunakan untuk menginterpretasikan data-data spektroskopi, yang antara lain digunakan untuk mendesain laser zat padat (Singh, 2002). Dalam bidang kimia, penelitian yang dilakukan oleh Yunus et.al (2009) menunjukkan bahwa indeks bias dapat digunakan untuk menentukan kemurnian dan kadaluarsa dari oli. Sedangkan penelitian yang dilakukan Sutiah (2008) menunjukkan bahwa indeks bias dapat digunakan untuk menentukan kemurnian minyak goreng. Seiring dengan perkembangan teknologi, metode pengukuran indeks bias dapat dilakukan dengan menggunakan serat optik. Aplikasi sensor pengukuran indeks bias digunakan perindustrian untuk menemukan parameter fisik seperti konsentrasi, temperatur, dan tekanan. Banyak peneliti telah mengusulkan desain sensor serat optik yang berbeda untuk mengukur indeks bias. Sengupta et.al (2010) mengukur konsentrasi gliserol menggunakan sensor serat optik dari bahan plastik dengan prinsip kerja sensor jarak serat optik dan fluktuasi intensitas pada reflector. Kelebihan sensor serat optik dibandingkan sensor konvensional adalah karena sensitivitas yang tinggi dan frekuensi yang luas. Sejalan dengan percobaan-percobaan tersebut, maka penelitian ini juga mendesain alat fiber sensor untuk mengukur indeks bias larutan yang lebih sederhana hanya dengan menggunakan dua untai serat optik, satu berfungsi sebagai transmitter (pemancar) dan yang lain sebagai receiver (penerima). Tujuan dari penelitian ini adalah; 1) mendesain alat serat optik untuk mengukur indeks bias suatu larutan atau bahan cair, 2) menentukan hubungan antara indek bias dengan konsentrasi larutan pada panjang gelombang cahaya tampak, 3) menentukan insensitas serapan cahaya (ISC) maksimum pada larutan, dan 4) dapat menentukan hubungan indeks bias terhadap intensitas serapan cahaya (ISC) yang akan menghasilkan persamaan regresi untuk memprediksi indek bias larutan. METODE Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Optika, Prodi Pendidika Fisika IKIP PGRI Pontianak. Peralatan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut; 1) LED (λ = 630nm), 2) Laser Dioda, 3) Mikrometer Skrup, 4) Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 378

3 Cermin, 5) Photoreceiver, 6) Osiloskop Digital Tektronik, 7) Neraca Digital, 8) Refraktometer Abbe, dan 9) Gelas beker 250 ml. Sedangkan bahan yang diunakan adalah sebagai berikut; 1) Fiber Optik Multimode, 2) Aquades, 3) Gula pasir, 4) Garam, dan 5) Papan Acrylic. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1 berikut ini. Persiapan alat dan bahan Perancangan alat dan pembuatan Pembuatan larutan Kesimpulan Analisa data Pengambilan data Gambar 1 Prosedur Penelitian Prinsip kerja yang dilakukan dalam penelitian ini adalah melakukan pergeseran mikro pada dua buah fiber optik yang diposisikan sejajar dan berhadapan dengan cermin sebagai pemantul sumber cahaya. Set up alat pengukuran indeks bias bahan cair transparan menggunakan sensor fiber optik dibagi menjadi beberapa bagian. Bagian pertama, membuat seperangkat kerangka penyangga sensor fiber optik dan mikrometer sekrup sebagai pengatur posisi antara cermin dan fiber optik. Bagian kedua, pembuatan perangkat sumber cahaya dari LED atau sinar laser merah sebagai pembanding. Bagian ketiga, menset-up alat di meja optik acrylic yang digunakan untuk menempatkan alat-alat optik supaya aman dari getaran. Susunan peralatan pada penelitian dapat dilihat pada Gambar 2. Dua fiber optik bergandengan dimasukkan kedalam gelas beker yang berisi larutan garam dan gula dengan konsentrasi tertentu dan didalamnya sudah terdapat cermin. Cermin berfungsi untuk memantulkan cahaya dari transmitter ke receiver. Photoreceiver berfungsi untuk mengetahui intensitas cahaya. Photoreceiver 1, berfungsi mengetahui intensitas cahaya yang keluar dari fiber optik referensi dan Photoreceiver 2, berfungsi mengetahui intensitas cahaya yang dikeluarkan oleh fiber optik receiver. Hasil bacaan Photoreceiver dilihat pada tampilan osiloskop berupa data intensitas/tegangan. Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 379

4 Gambar 2. Perancangan Alat Penelitian Larutan yang menjadi sampel pengukuran adalah larutan garam dengan konsentrasi 0,5 molar, 1 molar, 1,5 molar, 2 molar, 3 molar dan 4 molar serta larutan gula dengan konsentrasi 1 molar, 2 molar, 3 molar dan 4 molar. Indek bias masing-masing larutan diukur indek biasnya dengan Refraktometer ABBE. Setelah itu dilakukan pengambilan data hubungan antara pergeseran mikro (h) dan intensitas cahaya menggunakan mikrometer skrup dengan perlakuan pergeseran sebesar 0.2 mm. Hal ini dilakukan untuk menentukan jarak kerja sensor dengan batasan pergeseran maksimal 1,5 cm. Setelah dilakukan penentuan jarak kerja sensor, selanjutnya dilakukan pengambilan data hubungan antara konsentrasi larutan dengan intensitas cahaya. Dimana data intensitas yang dibaca oscilloscope terbaca dalam bentuk tegangan rata-rata. Pengolahan data dilakukan dengan membuat grafik hubungan antar variabel yang diamati, yang meliputi grafik hubungan antara intensitas cahaya (tegangan rata-rata) dengan jarak pergeseran permukaan pemantul serat optik (h) tiap konsentrasi larutan. Kemudian dibuat grafik hubungan antara konsentrasi larutan dengan intensitas cahaya (tegangan rata-rata). Dari grafik-grafik tersebut akan dicari kondisi-kondisi optimum sehingga sensor fiber optik dapat bekerja dengan baik. Tahapan akhir adalah menentukan presamaan yang dihasilkan dari regresi linear antar indek bias dengan intensitas serapan cahaya (ISC) yang dijadikan dasar penentuan indek bias larutan. Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 380

5 HASIL DAN PEMBAHASAN Alat hasil perancangan yang digunakan dalam penelitian ini adalah satu set alat pengukur indeks bias suatu larutan atau bahan cair transparan sensor fiber optik yang telah dirangkai seperti pada Gambar 3 di bawah ini. Gambar 3 Setting Alat Pengukur Indeks Bias Larutan Berdasarkan hasil penelitian, pengaruh indeks bias terhadap konsentrasi larutan ditunjukkan oleh Tabel 1 dan Tabel 2. Pada penelitian ini menggunakan 2 jenis larutan yang berbeda yaitu larutan garam dan larutan gula. Tabel 1 Hubungan Indeks Bias Dengan Konsentrasi Larutan Garam Indek bias perlakuan 1 Indek bias perlakuan 2 Indeks bias perlakuan 3 0,5 1,336 1,336 1,338 1, ,342 1,342 1,342 1,342 1,5 1,346 1,345 1,346 1, ,350 1,351 1,351 1, ,358 1,358 1,358 1, ,366 1,366 1,366 1,366 Konsentrasi (M) Rerata Indeks Bias Tabel 2 Hubungan Indeks Bias Dengan Konsentrasi Larutan Gula Indeks bias perlakuan 1 Indeks bias perlakuan 2 Indeks bias perlakuan 3 0,1 1,337 1,337 1,338 1,337 0,2 1,341 1,341 1,341 1,341 0,3 1,346 1,346 1,346 1,346 0,4 1,351 1,351 1,351 1,351 0,5 1,355 1,355 1,355 1,355 Konsentrasi (M) Rerata Indeks Bias Pada Tabel 1 dan Tabel 2 dapat dilihat setiap larutan dengan berbagai konsentrasi akan memiliki nilai indeks bias yang berbeda-beda pula. Semakin besar Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 381

6 konsentrasi suatu larutan, indeks biasnya juga semakin besar, hal ini menunjukkan bahwa konsentrasi larutan akan mempengaruhi perambatan laju cahaya pada medium tertentu. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan dengan laju cahaya pada medium yang kurang rapat. Hasil nilai penelitian pergeseran dengan perubahan nilai intensitas cahaya pada larutan garam tersaji pada Gambar 4 dan larutan gula pada Gambar 5 dengan banyak pengulangan dan pada grafik diambil 3 data yang paling baik. Dapat dilihat pada larutan yang sama akan mempunyai posisi puncak yang relatif sama. (a) (b) (c) (d) Gambar 4 Grafik Hubungan Antara Pergeseran Jarak Dengan Arus Maksimum Pada Larutan Garam (a) 1,5 Molar, (b) 2 Molar, (c) 3 Molar, dan (d) 4 Molar Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 382

7 (a) (b) (c) (d) Gambar 5 Grafik Hubungan Antara Pergeseran Jarak Dengan Arus Maksimum Pada Larutan Gula (a) 0,1 Molar, (b) 0,2 Molar, (c) 0,3 Molar dan (d) 0,4 Molar Dari keseluruhan Gambar 4 dan Gambar 5 memberikan informasi dimana nilai intensitas cahaya bertambah apabila jarak titik ukur dari sumbernya membesar, hal ini ditunjukkan grafik mengalami tren kenaikan nilai tegangan puncak-puncak yang terukur akibat pergeseran cermin setiap 0.5 mm. Kenaikan arus maksimum pada jarak tersebut dikarenakan hasil pantulan cahaya oleh cermin masih dapat ditangkap secara maksimal oleh fiber optik receiver. Setelah mencapai arus maksimum terlihat grafik mengalami perubahan tren grafik untuk nilai arus yang ditangkap oleh fiber optik receiver, pada jarak tersebut fiber optik receiver tidak mampu menangkap secara maksimal hasil cahaya pantul dari cermin, sehingga terjadi penurunan arus. Penurunan ini disebabkan kerapatan daya untuk meningkatkan di bidang transmisi serat kerucut dengan meningkatnya Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 383

8 pemisahan dan hukum kuadrat terbalik. Berdasarkan data pada Tabel 1, Tabel 2, Gambar 4 dan Gambar 5 maka diperoleh hubungan antara indek bias (rata-rata) dengan intensitas maksimum (reta-rata) yang tersaji pada Tabel 3 dan Tabel 4. Tabel 3 Hubungan Indeks Bias dengan Intensitas Maksimum pada Larutan Garam Indeks Bias (rata-rata) Intensitas Mak. (rata-rata) (a.u) 1,337 3,33 1,342 3,83 1,346 4,00 1,351 4,16 1,358 4,50 1,366 5,00 Tabel 4 Hubungan Indeks Bias dengan Intensitas Maksimum pada Larutan Gula Indeks Bias (rata-rata) Intensitas Mak. (rata-rata) (a.u) 1,338 3,33 1,341 3,50 1,346 3,66 1,351 4,25 1,355 4,50 Dari Tabel 3. dapat diketahui nilai rata-rata intensitas puncak (maksimum) pada setiap konsentrasi atau indek bias. Pada larutan dengan indek bias 1,337 memiliki intensitas maksimum sebesar 3,33 (a.u). Intensitas tersebut merupakan intensitas puncak (maksimum) yang terendah dari beberapa larutan dengan indek bias yang berbeda. Pada larutan gula dengan indek bias 1,366 diketahui bahwa intensitas maksimum cahaya yang diterima oleh receiver alat sensor fiber optik sebesar 5,00. Semakin besar indek bias larutan garam maka intensitas maksimum yang diterima receiver sensor fiber optik juga akan semakin besar. Dari Tabel 4. juga menggambarkan hubungan antara indek bias dengan intensitas maksimum cahaya yang diterima oleh receiver fiber optik pada larutan gula. Semakin besar indek bias larutan gula maka intensitas maksimum yang diterima receiver sensor fiber optik juga akan semakin besar. Data intensitas maksimum dari serapan cahaya atau intensitas serapan cahaya (ISC) oleh receiver alat sensor fiber optik pada masing-masing larutan Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 384

9 dapat dijadikan acuan dalam memprediksikan indek bias larutan. Model Persamaan yang digunakan untuk memprediksikan indek bias larutan berdasarkan intensitas serapan cahaya (ISC) adalah Model Persamaan Regresi Linear. Adapun grafik dan persamaan prediksi indek bias larutan disajikan pada Gambar 6 di bawah ini. Gambar 6 Grafik dan Persamaan Prediksi Indek Bias Larutan Berdasarkan grafik pada Gambar 6, alat sensor fiber optik yang dirancang dapat memprediksi indek bias larutan garam dan larutan gula melalui persamaan yang diperoleh. Sebagai contoh pada larutan garam, jika pengukuran intensitas maksimum serapan cahaya sebesar 4,500 (a.u) maka dapat diprediksi bahwa indek bias larutan garam sebesar 1,357. Begitu juga dengan larutan gula, jika pengukuran intensitas maksimum serapan cahaya sebesar 4,000 (a.u) maka dapat diprediksi bahwa indek bias larutan gula sebesar 1,348. Persamaan ini selanjutnya akan digunakan sebagai dasar perhitungan alat sensor fiber optik yang dirancang, sehingga alat sensor fiber optik dapat mengukur indek bias berbagai berbagai larutan. SIMPULAN Telah berhasil dirancang prototype sensor fiber optik yang dapat mengukur indek bias larutan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kemiringan kurva intensitas tiap pengulangan pengukuran memiliki hasil yang tidak begitu konsisten, tetapi mempunyai posisi puncak intensitas yang relatif sama. Sehingga tidak dianjurkan dalam pengukuran indeks bias memakai acuan kemiringan kurva melainkan memakai acuan posisi puncak intensitas untuk memprediksi indek bias larutan. Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 385

10 Semakin besar konsentrasi suatu larutan atau indek bias larutan, maka jarak posisi puncak intensitas serapan cahaya juga semakin besar. Faktor yang menyebabkan terjadinya perubahan kemampuan fiber optik untuk menangkap cahaya adalah nilai Numerical Aperture atau sudut penerimaan cahaya pada fiber optik. Model Persamaan Regresi telah diperoleh dan dapat dijadikan dasar untuk memprediksi indek bias larutan yang diukur dengan alat fiber optik yang telah dirancang. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pembelajaran dan Kemahasiswaan Kemenristekdikti atas dana Hibah Program Kreativitas Mahasiswa Penelitian (PKMP) sehingga penelitian ini dapat dilaksanakan dengan baik. DAFTAR PUSTAKA Marzuki, A., Wahyudi, Pramuda, A., & Nurmalasari, I Optical and Physical Properties of PbO-modified TeO2-ZnO-Bi2O3 Glasses. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1725, No. 1, p ). AIP Publishing. Parmitasari, P. & Hidayanto, E Analisis Korelasi Indeks Bias dengan Konsentrasi Sukrosa Beberapa Jenis Madu menggunakan Portable Brix Meter. Youngster Physics Journal, 2(4): Saleh, R., Munisa, L., & Marianty, D Studi Karakterisasi Optis Lapisan Tipis a-sic:h Hasil Deposisi Metode Glowdischarge. MAKARA, SAINS, 7(3). Sengupta, D., Sai, S. M., Saidi, R. P., Sai, P. R. L., & Srimannarayana, K Performance of The Reflected Concentration Sensor Using Plastic Fibers. Department of Physics, National Institute of Technology. India. Waranagal Singh, S Refractive Index Measurement and it Applications. Physica Scripta, 65: Sutiah, Studi Kualitas Minyak Goreng dengan Parameter Viskositas dan Indeks Bias (Skripsi). Semarang: FMIPA. Universitas Diponegoro. Yunus, W. M. M., Fen, Y.W., & Yee, L.M Refractive Index and Fourier Transform Infrared Spectra of Virgin Coconut Oil and Virgin Olive Oil. American Journal of Applied Sciences, 6(2): Fakultas Pendidikan MIPA dan Teknologi IKIP PGRI Pontianak 386