Investigasi Sensor Serat Optik untuk Aplikasi Sistem Pengukuran Berat Beban Berjalan (Weight in Motion System) (Andi Setiono) Akreditasi LIPI Nomor: 377/E/2013 Tanggal 16 April 2013 Investigasi Sensor Serat Optik untuk Aplikasi Sistem Pengukuran Berat Beban Berjalan (Weight in Motion System) ANDI SETIONO, DWI HANTO, DAN BAMBANG WIDIYATMOKO Pusat Penelitian Fisika LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang Selatan, Banten E-mail: andisetiono@gmail.com Diterima: 13 Maret 2013 Revisi: 1 Mei 2013 Disetujui: 15 Mei 2013 INTISARI: Jembatan ambruk, jalan rusak dan berlubang, serta kapal tenggelam diakibatkan oleh kelebihan muatan merupakan kasus tidak terpantaunya berat beban kendaraan. Jembatan timbang belum cukup memberikan peran maksimal dalam hal pengontrolan berat kendaraan. Salah satu faktor penyebabnya adalah waktu yang relatif lama untuk mendeteksi berat suatu kendaraan. Untuk mengatasi kendala tersebut maka hadir teknologi Weight In Motion (WIM) yang memungkinkan berat suatu benda dapat diketahui secara cepat. Salah satu komponen penting dalam sistem WIM adalah sensor. Beberapa syarat yang harus dipenuhi pada suatu sensor WIM antara lain kecepatan respon dan akurasi. Tujuan penelitian ini adalah melakukan investigasi terhadap serat optik sebagai sensor beban. Hasil investigasi diharapkan dapat mengetahui potensi serat optik sebagai sensor beban baik beban diam maupun beban berjalan. Prinsip kerja sensor ini adalah dengan memanfaatkan prinsip rugi-rugi microbending fiber optics. Sensor serat optik memiliki beberapa kelebihan antara lain tidak terganggu oleh interferensi elektromagnetik dan tahan terhadap korosi. Terdapat 2 macam pengujian sensor yaitu uji statis dan uji dinamis. Beban sebesar 400 N, 600 N dan 800 N ditimpakan diatas sensor secara statis. Hasil pengujian statis menunjukkan bahwa linieritas sensor cukup baik dengan nilai rata-rata R 2 = 0,98. Sedangkan hasil pengujian dinamis terhadap sensor dengan beban sebesar 400 N, 600 N, 800 N, 1200 N dan 1580 N menunjukkan error masing-masing sebesar 28,3 %; 8,1 %; 2,9 %; 4,5 % dan 6,4 %. Dengan linieritas baik dan rata-rata error yang kecil menunjukkan bahwa sensor serat optik memiliki potensi untuk diterapkan pada Weight In Motion System. KATA KUNCI: mikrobending, sensor serat optik, weight in motion system, beban kendaraan, akurasi. ABSTRACT: Bridge fall down, damaged roads and potholes, and ship disappeared due to overloading are some examples of cases in poorly loads monitoring, especially heavy vehicles. Weighbridge existence has not given up optimum function in terms of weight control vehicle. One of contributing factor is the relatively long time to detect the weight of a vehicle. Weight In Motion (WIM) technology comes with the ability to knows the weight of an object quickly. One of important component in WIM system is a sensor. Several requirements that must be met on a WIM sensors are response times and accuracy. The purpose of research is to investigate the optical fiber as a load sensor. Results of the investigation are expected to know the potential of optical fiber sensor for statics load and dynamics load. The fiber optic sensor use microbending principle and then detect power losses in fiber optics. Fiber optic sensor has several advantages such as not disturbed by electromagnetic interference and resistant to corrosion. There are 2 kinds of testing i.e. static test and dynamic test. The results of static testing with load 400 N, 600 N and 800 N show that the linearity of the sensor is quite good with an average value of R2 = 0.98. While the results of dynamic testing with load 400 N, 600 N, 800 N, 1200 N and 1580 N indicate error respectively 28.3%, 8.1%, 2.9%, 4.5% and 6, 4%. With good linearity and average small error indicates that the optical fiber sensor has the potential to be applied in Weight In Motion System. KEYWORDS: micro bending, optical fiber sensor, weight in motion system, vehicle loads, accuracy. 1. PENDAHULUAN Indonesia merupakan Negara dengan bentuk geografis berupa kepulauan sehingga sudah menjadi keharusan bahwa teknologi dalam keamanan dan keselamatan transportasi, khususnya transportasi antar pulau, dapat dikuasai. Salah satunya adalah teknologi monitoring atau pengontrolan beban pada alat atau moda transportasi. Beberapa contoh kejadian akibat beban yang tidak terkontrol antara lain tenggelamnya kapal di masa lampau, kerusakan jalan yang berakibat pada tingginya angka kecelakaan, dan ambruknya jembatan bentang panjang di beberapa wilayah Indonesia. Untuk itu perlu ditelaah bagaimana sebenarnya prosedur pengukuran berat muatan dan memberikan solusi alternatif untuk mencegah atau mengurangi terjadinya kecelakaan. Salah satu solusi tersebut yaitu teknologi Weight In Motion (WIM). Konsep Weight In Motion telah diperkenalkan lebih dari 50 tahun yang lalu [1]. Prinsip kerja atau metode teknologi WIM adalah mendeteksi suatu berat kendaraan yang bergerak pada kecepatan tertentu di atas jalan yaitu dengan mengukur beban roda kendaraan pada saat berjalan. Berbeda dengan metode jembatan timbang, beberapa keuntungan teknologi WIM antara lain lebih efisien dan menghemat waktu, khususnya pada saat lalu lintas sibuk [2]. Hal ini akan mendukung modernisasi manajemen lalu lintas. Sejumlah sistem WIM pada jalan tol telah dikembangkan dalam kurun 5 dekade yang lalu [2-4] dengan mengaplikasikan beberapa teknologi sensor WIM. Beberapa teknologi sensor WiM yang ada saat ini menggunakan kabel piezoelectric, capacitive mats, hydraulic dan sistem load cell [5]. Akan tetapi sensor-sensor tersebut memiliki beberapa kelemahan 81
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: 81-86 ISSN: 0125-9121 antara lain mudah terkena korosi, sekup kecepatan yang rendah, dapat terkena interferensi elektromagnetik, dan memiliki akurasi yang rendah[5]. Berkaitan dengan masalah tersebut teknologi sensor berbasis serat optik tampaknya dapat dijadikan solusi alternatif. Sensor serat optik memiliki beberapa keuntungan diantaranya adalah tahan terhadap interferensi gelombang elektromagnetik, memiliki sensitivitas tinggi, dan tahan terhadap korosi serta tahan terhadap suhu tinggi. Dalam tulisan ini dibahas tentang sensor beban berbasis serat optik yang menggunakan teknik mikrobending serat optik. Sensor serat optik juga memiliki keuntungan lain antara lain struktur yang sederhada dan biaya rendah. Mikrobending serat optik adalah suatu keadaan apabila serat optik berada dalam kondisi terjepit atau tertindih suatu beban maka didalam serat optik tersebut akan terjadi perubahan penjalaran cahaya yang mengakibatkan terjadi loss atau rugi-rugi transmisi cahaya. Rugi-rugi ini bersesuaian dengan berat beban yang menimpanya sehingga dapat digunakan untuk mendeteksi berat suatu beban. 2. METODOLOGI PENELITIAN Sensor serat optik berdasarkan prinsip mikrobending terdiri dari serat optik dan bending modulator yang menyebabkan terjadinya rugi-rugi daya dan intensitas cahaya. Performa sensor serat optik ditentukan oleh banyaknya lekukan yang terjadi pada serat optik sehingga metode modulasi bending diadopsi untuk menciptakan lekukan secara periodik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, bending modulator berupa papan dengan gerigi berbentuk segitiga pada salah satu sisinya dan serat optik berada tepat ditengah-tengah antara papan gerigi dan bantalan karet yang berfungsi untuk menimbulkan efek elastis. Tinggi segitiga 5 mm dengan jarak antar puncak segitiga 10 mm. Bantalan karet yang digunakan memiliki tingkat kekerasan (hardness) sebesar 65 point. Dengan adanya gaya F yang menekan papan maka akan menyebabkan terjadinya mikrobending pada serat optik. Hal ini mengakibatkan sebagian cahaya dalam serat optik akan keluar dan menyebabkan intensitasnya menurun. Penurunan intensitas cahaya ini dapat dideteksi dengan photodiode sehingga gaya tekan yang dialami oleh serat optik dapat dihitung dengan melihat penurunan respon tegangan keluaran photodiode. Papan gerigi Serat optik Bantalan karet Gambar 1. Skema sensor serat optik berbasis mikrobending. Blok diagram sistem weight in motion menggunakan sensor serat optik ditunjukkan pada Gambar 2. Spesifikasi laser diode yang digunakan yaitu panjang gelombang 1310 nm, daya 2.5 mw, D Pin Code, SM Fiber Pigtailed, FC/PC. Laser dipandu oleh 500 ma Universal Laser Diode Driver. Sedangkan photodetector menggunakan InGaAs Photodiode dengan rise time 100, 800 1800 nm, FC/PC Coupled. Sebagai data akuisisi digunakan DT9816-S dengan sampling rate hingga 750 ks/s per channel dan resolusi ADC 16 bit. Cahaya laser melewati dan dimodulasi oleh sensor serat optik. Intesitas laser ini kemudian dideteksi oleh photodiode. Adanya faktor mikrobending menyebabkan terjadi variasi besar intensitas yang merupakan representasi dari gaya tekan pada sensor serat optik. Dari photodiode, sinyal mengalami penguatan kemudian sinyal ini dikonversi oleh ADC menjadi sinyal digital. Sinyal digital ini kemudian diolah oleh komputer dengan cara memasukan suatu persamaan sehingga didapatkan nilai gaya tekan yang terjadi. Laser Sensor Serat Optik Photodiode Komputer Konversi A/D Gambar 2. Blok diagram sistem pengukuran beban menggunakan sensor serat optik. 82
Investigasi Sensor Serat Optik untuk Aplikasi Sistem Pengukuran Berat Beban Berjalan (Weight in Motion System) (Andi Setiono) 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Aplikasi sensor serat optik berdasarkan teknik bending serat optik membutuhkan sumber cahaya stabil [6]. Dalam penelitian ini digunakan cahaya laser dengan kestabilan yang cukup baik dengan nilai fluktuasinya berkisar 25 mv. Pengujian terhadap sensor beban serat optik dilakukan dengan uji beban diam dan uji beban berjalan. Intensitas cahaya laser yang merambat dalam serat serat optik berkurang akibat serat optik tersebut mengalami bending. Penurunan intensitas ini berbanding lurus dengan respon tegangan keluaran sensor seiring kenaikan beban yang diberikan. Namun demikian, dengan rekayasa software penurunan respon tegangan ini dapat dibalik sehingga kenaikan beban akan menyebabkan kenaikan respon tegangan keluaran sensor. Besar beban yang diujikan dalam uji static adalah 40 kg, 60 kg dan 80 kg. Grafik pada Gambar 3 menunjukkan respon perubahan tegangan keluaran terhadap beban yang diberikan dalam 3 kali pengujian. Gambar 3. Grafik respon sensor terhadap beban 40,60, dan 80 kg. Persamaan grafik pengujian I, II dan III masing-masing disebutkan dalam persamaan 1, 2 dan 3 sebagai berikut. y 0,092x 3,416 dengan R 2 0, 989 (1) y 0,097x 3,482 dengan R 2 0, 950 (2) y 0,088x 3,378 dengan R 2 0, 999 (3) Dimana y adalah tegangan output sensor dan x adalah beban yang diberikan. Dari hasil pengujian dapat dianalisa bahwa respon sensor serat optik memiliki kelinieran yang cukup baik terhadap beban diam antara 40 kg - 80 kg, ditunjukkan dengan nilai R 2 yang mendekati 1. Namun demikian repeatibilitas dan kestabilan pengukuran belum cukup konsisten dalam 3 kali pengujian yang dilakukan. Hal ini disebabkan oleh modulasi bending tidak merata dan tingkat elastisitas karet yang masih rendah. Selain pengujian terhadap beban diam juga dilakukan pengujian terhadap beban berjalan. Terdapat 2 model modulasi bending dalam uji berjalan. Modulasi bending pertama menggunakan papan gerigi yang lebih lancip dari pada model modulasi kedua (papan gerigi lebih tumpul). Papan gerigi yang lebih lancip memungkinkan untuk mendeteksi beban yang relatif kecil sebaliknya dengan papan gerigi yang lebih tumpul dapat mendeteksi beban dalam cakupan yang lebih besar. Untuk model pertama, beban yang diujikan yaitu 400 N, 600 N, dan 800 N. Sedangkan model kedua digunakan untuk menguji beban 1200 N dan 1580 N. Bentuk respon tegangan keluaran sensor serat optik terhadap beban berjalan tampak seperti pada Gambar 4. Analisa penghitungan berat beban berjalan didekati dengan konsep gaya impuls. Impuls adalah besaran vektor yang arahya sejajar dengan arah gaya dan menyebabkan perubahan momentum, dinotasikan dengan I, satuannya N.s atau kg.m/s. Berkaitan dengan pegukuran berat beban berjalan maka formulasi untuk menghitung beban tersebut ditunjukkan pada persamaan 1 dan 2. Persamaan 1 merupakan analogi dari rumus impuls yang kemudian dikembangkan lebih lanjut dengan melibatkan faktor kalibrasi C untuk 83
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: 81-86 ISSN: 0125-9121 menghitung berat beban berjalan (persamaan 2). Dengan adanya dua model ini maka sebagai konsekuensinya adalah terdapat dua faktor kalibrasi C. A Gambar 4. Sampel respon sensor beban serat optik terhadap beban berjalan dengan amplitude A dan waktu tempuh t. A W. t (4) A W. C (4) t Dengan W = Berat (N), A = Amplitudo (Volt), t = waktu (s). Analisa penghitungan beban berjalan melalui pendekatan impuls didahului dengan mencari nilai amplitude dan waktu tempuh beban diatas sensor. Selanjutnya dapat dihitung respon tegangan output per satuan waktu (volt/second). Hasil pengujian sensor untuk beban 400 N, 600 N dan 800 N dengan model modulasi bending pertama (papan gerigi lancip) ditunjukkan pada Gambar 5. Sedangkan hasil pengujian sensor untuk beban 1200 N dan 1580 N ditunjukkan pada Gambar 6. Berdasarkan grafik tersebut dapat dihitung nilai faktor kalibrasi masing-masing beban ditunjukkan pada Tabel 1. t Gambar 5. Grafik respon sensor terhadap beban berjalan 400 N, 600 N dan 800 N. Gambar 6. Grafik respon sensor terhadap beban berjalan 1200 N dan 1580 N. 84
Investigasi Sensor Serat Optik untuk Aplikasi Sistem Pengukuran Berat Beban Berjalan (Weight in Motion System) (Andi Setiono) Tabel 1. Faktor kalibrasi beban 400 N, 600 N, 800 N, 1200 N dan 1580 N. Beban (N) Faktor kalibrasi (N.s/V) 400 165.96 600 181.75 800 103.53 1200 9018.15 1580 15772.82 Berdasarkan hasil analisa yang telah dilakukan, faktor kalibrasi untuk sensor dengan model modulasi pertama dan kedua masing-masing adalah sebagai berikut. 1148 W C (5) 3,648 untuk faktor kalibrasi model modulator bending I dan untuk faktor kalibrasi untuk model modulasi bending II C 17,77W 12312 (6) Gambar 7. Hasil pengukuran sensor untuk beban 400 N. Gambar 8. Hasil pengukuran sensor untuk beban 600 N. Gambar 9. Hasil pengukuran sensor untuk beban 800 N. Hasil penghitungan berat beban berjalan sebesar 400 N, 600 N dan 800 N berdasarkan persamaan 4 masing-masing ditunjukkan dalam grafik pada Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9. Error pengukuran untuk beban 400 N, 600 N dan 800 N berturut-turut 28,3 %; 8,1 %; dan 2,9 %. Sedangkan hasil penghitungan berat beban berjalan sebesar 1200 N dan 1580 N berdasarkan persamaan 4 masing-masing ditunjukkan dalam grafik pada Gambar 10 dan Gambar 11. Error pengukuran untuk beban 1220 N sebesar 4,5 % sedangkan pengukuran beban 1580 N memiliki error pengukuran sebesar 6,4 %. Error pengukuran terjadi sebagian besar disebabkan oleh adanya vibrasi pada sensor ketika beban melewati sensor. Namun demikian, dengan rata-rata error pengukuran yang relatif kecil menunjukkan bahwa konsep impuls dapat digunakan sebagai salah satu formula untuk menghitung berat beban berjalan sehingga dapat diterapkan dalam sistem Weight In Motion 85
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 31 (1) 2013: 81-86 ISSN: 0125-9121 dengan tingkat akurasi cukup tinggi. Perlu pengkajian lebih dalam lagi mengenai penerapan konsep impuls pada sensor WIM dengan melibatkan lebih banyak data. Gambar 10. Hasil pengukuran sensor untuk beban 1580 N. Gambar 11. Hasil pengukuran sensor untuk beban 1200. 4. KESIMPULAN Investigasi ini telah membuka tentang peluang bagi sensor serat optik untuk dijadikan sebagai alternatif lain dalam pengukuran beban baik beban diam maupun beban berjalan. Hal tersebut didukung dengan tingkat kelinieran yang cukup baik terhadap beban yang diberikan dengan nilai rata-rata R 2 = 0,98. Hasil pengujian dinamis terhadap sensor dengan beban sebesar 400 N, 600 N, 800 N, 1200 N dan 1580 N menunjukkan error masing-masing sebesar 28,3 %; 8,1 %; 2,9 %; 4,5 % dan 6,4 %. Selain itu dengan konsep impuls serat optik dapat pula digunakan untuk mendeteksi berat beban yang berjalan sehingga kedepannya diharapkan mampu mendukung sistem pengukuran berat beban berjalan (Weight In Motion System). Namun demikian masih perlu penelitian lebih lanjut dan lebih banyak data lagi untuk mendapatkan formulasi. penghitungan/pengukuran dengan tingkat error sekecil mungkin dan tingkat akurasi yang tinggi. DAFTAR PUSTAKA [1] Ramesh B. Malla, Amlan Sen and Norman W. Garrick, A Special Fiber Optic Sensor for Measuring Wheel Loads of Vehicles on Highways, Sensors vol 8, 2008, 2551-2568. [2] Lee, C.E, Standards for Highway Weigh-In-Motion (WIM) Systems, ASTM Standardization News, Feb. 1991; pp. 32-37. [3] Wyman, J.H, An Evaluation of Currently Available WIM System, In Proc. 3rd. National Conf. on Weigh- In-Motion, March 1989, pp. 6-176. [4] Cottrell, B. Jr, Evaluation of Weigh-In-Motion Systems, Final Report, FHWA Report FHWA/VA- 92- RB, VTRC 92-RB; Nat. Tech. Info. Service: Springfield VA, 1992,p. 100. [5] Ma Bin and Zou Xinguo, Study of Vehicle Weight-In-Motion System Based on Fiber-optic Microbend Sensor, International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, 2010, pp. 458-461. [6] Andi Setiono, Bambang Widiyatmoko, dan Imam Mulyanto, Kajian Mikrobending sebagai Sensor Beban Berbasis Serat Optik Multimode, Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012 ISSN : 0853-0823, pp. 179-181. 86