PEMETAAN BEBAN OLEH BIDANG SERAGAM DENGAN METODE BENDING LOSS AKIBAT GRATING PADA SERAT OPTIK Mahmudah Salwa Gianti*, Ahmad Marzuki*, Stefanus Adi Kristiawan** *Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam **Prodi Teknik Sipil, Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Jalan Ir. Sutami 36 A, Kentingan, Surakarta, 57126, Jawa Tengah, Indonesia Email : msg.salwa@student.uns.ac.id Abstrak Pemetaan telah diketahui sebagai penggambaran suatu wilayah. Pemetaan tidak terbatas hanya untuk wilayah geografi, namun juga dalam berbagai bidang seperti biomekanik dan aplikasi sensor. Prinsip kerja sensor tekanan berbasis serat optik ini memanfaatkan adanya atenuasi atau rugi-rugi yang diakibatkan oleh tekanan yang membuat serat optik mengalami pembengkokan (bending) dengan metode goresan (grating) pada serat optik. Goresan pada serat optik membuat serat optik lebih sensitif terhadap tekanan dan menghasilkan rugi-rugi yang lebih signifikan. Pengujian beban pada serat optik tertanam di dalam pad menghasilkan pemetaan posisi tiap beban uji dan hubungan antara tekanan dengan rugi-rugi yang diakibatkan oleh beban uji. Dari beberapa beban uji didapatkan hubungan bahwa rugi daya sebanding dengan tekanan yang terjadi. Kata kunci : grating, tekanan, rugi-rugi, sensor, serat optik I. Pendahuluan Pengembangan sensor-sensor tekanan dan pergeseran yang biasa disebut shear and pressure sensor adalah sensor kapasitif yang terintegrasi dan strain gauge. Satu masalah pada sensor kapasistif yaitu suseptibilitas terhadap interferensi listrik karena impedansi tinggi. Starin gauge, membutuhkan struktur tambahan untuk mendapatkan inti komponen pergeseran. Kedua alat tersebut dipengaruhi oleh ukuran, drift, dan sensitivitas tinggi terhadap suhu. Kelemahan pada kedua sensor konvensional tersebut adalah material yang digunakan tidak cocok dengan kulit ketika sensor diatur untuk mengukur tekanan dan pergeseran [1]. (Wang et al., 2005). Untuk menanggulangi kekurangan pada sensor-sensor konvensional, maka
dikembangkan sensor serat optik. Prinsip kerja sensor tekanan berbasis serat optik ini memanfaatkan adanya atenuasi atau rugirugi yang diakibatkan oleh tekanan yang membuat serat optik mengalami pembengkokan (bending). Rugi-rugi merupakan pelemahan daya yang dibawa oleh cahaya. Pembengkokan fiber optik ini menyebabkan cahaya yang merambat di dalamnya menjadi berbelok dari arah transmisi dan hilang. Pada penelitian ini dikembangkan prototipe sensor tekanan beserta pemetaan tekanannya. II. Tinjauan Pustaka Sharon, dkk., mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyalsinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya [2]. Menurut Instrument Society of America, sensor merupakan sebuah perangkat yang memberikan output yang dapat digunakan dalam merespon ukuran yang ditentukan. Output mendefinisikan kuantitas listrik dan ukur sebagai jumlah fisik, properti, atau kondisi yang diukur [3]. Pemantauan sehari-hari tentang keadaan struktur beban dan basa bangunan memungkinkan identifikasi cepat dan penilaian dari beban yang terjadi, misalnya sebagai akibat dari menempatkan alat berat, pengoperasian perangkat mekanik yang kuat, penurunan tanah tak terduga, dll. [4]. Sebagai elemen sensor, serat optik digunakan dalam sistem tersebut karena parameter massa dimensi yang memungkinkan menempatkan mereka dalam berbagai desain bangunan tanpa mengubah karakteristik teknis dan operasional dari struktur [4]. Perambatan cahaya pada serat optik menggunakan prinsip pemantulan internal sempurna. Cahaya yang merambat menuju bidang perbatasan terpantul kembali ke dalam serat optik jika sudut datangnya lebih besar dari sudut kritis. Dengan cara ini cahaya dapat merambat di dalam serat optik melalui serangkaian pemantulan, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 menunjukkan bahwa cahaya yang datang semakin besar karena Gambar 2. 1 Perambatan Cahaya dalam Serat Optik memasuki medium yang indeks biasnya lebih rendah. Sudut datang dalam core meningkat dan pada akhirnya sudut bias mencapai 90 0. Hal ini menyebabkan cahaya dibiaskan sepanjang perbatasan medium core dan cladding. Besarnya sudut kritis dapat dihitung dengan mengasumsikan
sudut bias menjadi 90 0. Dari hukum Snellius dapat ditulis sebagai berikut [5] : sin = sin 90 0 (2.1) Bend-Loss merupakan salah satu teknik yang dipilih untuk sensor geser dan tekanan. Teknik ini simpel dan efektif untuk mendeteksi tekanan yang menyebabkan deformasi serat optik. Prinsip kerja sensor ini adalah tergantung pada kekuatan transmition loss yang menyebabkan kopling di antara perbedaan penyebaran mode core dan dari mode core ke mode radiasi. Di bawah ini adalah keadaan dimana r/δr bernilai kecil, maka persamaan atenuasi intensitas cahaya adalah ( ) *( ) ( )+ (2.2) dimana r adalah jari-jari core, adalah indeks bias (untuk parabolic profile, 2 dan untuk step profile, ) R adalah jarijari kelengkungan pada bending dan Δ adalah perbedaan indeks bias antara core dan cladding. Dasar persamaan ini adalah bahwa bend-loss dapat ditingkatkan (intensitas atenuasi meningkat) dengan perbedaan indeks bias yang kecil antara core dan cladding atau dengan serat optik dengan jari-jari core yang lebih besar [1]. III. Metodologi a. Diagram Alir Pembuatan program Pengolahan data dengan software Analisis Kesimpulan Persiapan Pembuatan sensor Pengambilan data Gambar 3. 1. Diagram alir penelitian b. Prosedur Kerja Perangkat yang digunakan pada prototipe sensor maping tekanan berbasis serat optik adalah sumber cahaya, sensor tekanan serat optik, detektor, Arduino dan PC. Input berupa cahaya diterima oleh detektor yang berjalan melalui serat optik. Serat optik mengalami modulasi berupakan tekanan yang menyebabkan perubahan intensitas. Output dari serat optik dibaca oleh detektor kemudian masuk ke Arduino dan ditampilkan oleh PC yang berisi program ARDUINO. Data yang didapat dari program tersebut diolah menjadi grafik menggunakan software ORIGIN dan kemudian dibuat pemetaan kontur menggunakan software MATLAB.
c. Penggoresan Fiber Penggoresan ini dilakukan dengan alat yang terdiri atas dua buah mikrometer sekrup yang diletakkan tegak lurus, menggunakan penopang berbahan akrilik dan pisau pemotong yang berada dibawah kendali Mikrometer. Pemilihan banyaknya goresan (grating) dan kedalaman goresan adalah karena semakin besar jumlah goresan dan semakin dalam goresannya, maka semakin banyak cahaya yang hilang atau keluar dari serat optik yang berati semakin banyak loss daya sehingga sensitivitas serat optik akan semakin besar [6]. Gambar 3. 2 Alat penggores fiber d. Perangkat Pemetaan Beban Gambar 3. 5 Seperangkat sensor tekanan Serat optik yang menjulur dari pad masing-masing dimasukkan pada sumber cahaya dan detektor cahaya yang berada dalam kotak hitam, ditunjukkan oleh Gambar 3.5. Detektor terhubung ke Arduino sebagai pengubah sinyal analog menjadi sinyal digital (ADC). Data yang diterima arduino kemudian ditampilkan dalam PC yang berisi program pengolahan data. Rangkaian sebagaimana terlihat pada Gambar 3.5. e. Pengujian Beban Pengambilan data ini dilakukan dengan meberi beban pada pad seperti Gambar 3.12. Data diambil dalam waktu masing-masing sepuluh detik dan menghasilkan nilai loss bergantung pada beban yang diberikan pada pad. Ketika beban diletakkan, detektor akan menerima intensitas cahaya yang lebih rendah dibanding tanpa beban.
Gambar 3.6 Pemberian beban pada pad Pegurangan intensitas yang terjadi adalah karena terjadi loss serat optik pada bagian grating. Cahaya yang semula terpantul sempurna kemudian berbelok dari arah transmisi dan hilang seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.7. Berkurangnya intensitas tergantung pada kekuatan transmition loss. beban. Seperti terlihat pada Gambar 4.1, dimana bagian A menunjukkan sinar yang ditransmitansikan sampai ke detektor terpantul sempuna. Bagian B menunjukkan bahwa terjadi loss yang diakibatkan grating, dan bagian C menunjukkan bahwa terjadi loss yang diakibatkan oleh grating dan bending akibat penekanan pada pad. Data yang diterima oleh detektor diteruskan ke ADC, dalam penelitian ini menggunakan Arduino Mega 2560 kemudian ditampilkan pada PC. Data yang peroleh dikelompokkan setiap pinnya untuk dibuat menjadi data tabel tengangan awal dan data tabel tegangan akhir. Nilai loss yang didapat untuk mapping merupakan nilai pengurangan dari tegangan awal terhadap tegangan akhir. a. Pengujian Beban dan Pemetaan IV. Hasil dan Pembahasan Gambar 4.1 (a) skema loss pada serat optik grating dimana cahaya keluar melalui celah posisi grating (b) skema loss pada serat optik grating dengan tekanan (bending) Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa nilai intensitas menurun saat serat optik diberi tekanan sebagai akibat dari Gambar 4. 2 Posisi beban 0,2kg pada pad Dari Gambar 4.2, terlihat bahwa beban menekan pad tepatnya pada pin A0, A1 dan A10. Data menunjukkan bahwa pin
A0, A1 dan A10 mengalami loss. Gambar 4. 1 Kontur beban 0,2kg pada pad yang menunjukkan pemetaan beban Sesuai Gambar 4.3, daerah berwarna merah merupakan loss paling besar yang menunjukkan titik berat benda uji sedangkan daerah berwarna biru merupakan loss paling kecil dimana tidak terjadi loss pada serat optik. Gradasi warna dari merah ke biru diperlihatkan oleh colorbar disampingnya yang menunjukkan nilai loss yang terjadi saat beban diuji. b. Perbandingan Beban dan Tekanan Gaya gravitasi selalu menuju pusat bumi, maka gaya gravitasi yang dialami oleh tiap-tiap partikel juga mengarah ke pusat bumi dan resultan dari semua gaya tersebut berada pada titik tertentu, yang telah disebut sebagai titik berat benda. Titik ini merupakan sebuah pusat distribusi berat, maka dari itu akan memiliki gaya tekan yang lebih tinggi yang mengakibtakan loss yang tinggi pula pada sensor serat optik ini. Gambar 4.4 Posisi beban 0,2kg pada pad Gambar 4. 5 Posisi beban 1,2kg pada pad Gambar 4. 6 Loss daya untuk beban 0,2kg dengan diameter penekan 2,2cm
Gambar 4.7 Loss daya untuk beban 1,2kg dengan diameter penekan 2,2cm Loss diambil dari nilai terbesar pada setiap beban dengan nilai loss beban 0,2kg; 0,7kg; 1,2kg; 2,2kg yang secara berturutturut nilainya adalah 0,037 db; 0,059 db; 0,109 db; 0,115 db. Gambar 4.8 menunjukkan bahwa nilai loss semakin meningkat seiring bertambahnya tekanan mulai dari nilai 0,037 db yaitu pada beban 0,2kg sampai beban 2,2kg. Beban 2,2kg tentu memiliki nilai tekanan yang lebih besar dari beban 0,2kg dan menghasilkan loss yang lebih besar. Desibel (db) adalah unit yang digunakan untuk mengekspresikan perbedaan relatif dalam kekuatan sinyal, seperti perhitungan loss pada serat optik ini adalah: ( ) (4.1) sehingga dalam penelitian ini, loss yang diakibatkan oleh setiap beban uji ditunjukkan oleh Gambar 4.8. Gambar 4. 8 Grafik Pengaruh tekanan terhadap loss daya V. Kesimpulan Pemilihan banyaknya goresan (grating) dan kedalaman goresan adalah karena semakin besar jumlah goresan dan semakin dalam goresannya, maka semakin banyak cahaya yang hilang atau keluar dari serat optik yang berati semakin banyak loss daya sehingga sensitivitas serat optik akan semakin besar. Serat optik dengan metode grating menghasilkan loss yang lebih sensitif dengan bending yang kecil dibandingkan dengan metode makrobending. Hasil menunjukkan bahwa perubahan loss sebanding dengan beban dan dapat memetakan posisi beban dengan pusat loss berada pada pusat dimana beban diletakkan. VI. Saran Penelitian harus dilakukan dalam ruangan dengan cahaya yang stabil,
sehingga tidak ada polusi cahaya yang masuk secara tiba-tiba pada detektor cahaya. Penambahan filter pada detektor akan memperhalus data yang diperoleh, sehingga hasilnya akan semakin baik. Ditambahkan penggunaan beban dengan bentuk bidang penekan yang berbeda-beda, VII. Daftar Pustaka 1] Wang, W.C., Ledonx, W.R., Sangeorzan, B.J., & Reinhall, P.G. (2005). A shear and plantar pressure based on fiber-optic sensor. Journal of Rehabilitation Research & Development, 42, 315-326. 2] Sharon, D (1987). Robotics and Automated Manufacturing. Pitman: London. 3] Instrument Society of America.(1975). ANSI (The American National Standards Institute) MC6.1. 4] Huston, D.R.; Fuht, P.L.; Udd, E. dkk.(1999). Fiber Optic Sensor for Evaluation and Monitoring of Civil Structures. SPIE, 3860, 2-11. sehingga dapat membandingkan pemetaan bentuk bidang penekannya. 5] Tregubov, A.V., Svetukhin, V.V., Novikov, S.G., Berintsev, A.V., Prikhodko, V.V., A (2016). A Novel Fiber Optic Distributed Temperature and Strain Sensor for Building Applications. Results in Physics, 16, 7-12. 6] Crisp, J & Elliot, B.(2005). Introduction to Fiber Optics. 3 rd Edition. Elsevier & Newnes. Oxford. 7] Fitriyani, N. & Sunarno, H. (2013). Karakterisasi Sensor Serat Optik Plastik terhadap Temperatur Dengan Memanfaatkan Prinsip Kerja Bending Loss. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh November.