BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian mengenai pembuatan sensor putaran berbasis serat optik dilakukan di Laboratorium Optik dan Fotonik serta Laboratorium Bengkel Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret. Waktu pelaksanaan penelitian ditempuh selama tujuh bulan mulai dari bulan November 2013 sampai dengan Mei 2014. 3.2. Alat dan Bahan yang Digunakan Perangkat sensor putaran berbasis serat optik terdiri dari beberapa bagian utama yakni sumber cahaya, serat optik, sistem mekanik putaran, interface, dan detektor. Gambar 3.1 merupakan skema dari rangkaian sensor putaran berbasis serat optik. Gambar 3.1. Skema rangkaian sensor putaran berbasis serat optik, 1. Sumber cahaya, 2a. Transmitter Fiber, 2b. Receiver Fiber, 3. Reflector, 4. Sumber putaran, 5. Detektor, 6. Kabel penghubung, 7. Interface, 8. Komputer Cahaya dari sumber dimasukkan ke dalam serat optik. Serat optik membawa cahaya menuju bidang putar, cahaya akan dipantulkan oleh reflector yang ditempatkan pada bidang putar. Pantulan cahaya dari reflector akan ditangkap oleh serat optik receiver. Cahaya yang keluar dari serat optik kemudian dideteksi oleh detektor. Data analog dari detektor diubah menjadi data digital dan dikirim menuju komputer melalui interface untuk diolah. Dalam penelitian ini digunakan konfigurasi pemantulan untuk mendeteksi perubahan putaran. Alat dan bahan 34
35 yang digunakan dalam pembuatan sensor putaran berbasis serat optik adalah sebagai berikut: 3.2.1. Alat yang Digunakan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Sumber cahaya Sumber cahaya yang digunakan dalam penelitian ini adalah Light Emitting Diode (LED). Terdapat lima variasi warna LED yang diuji sebelum dijadikan sumber cahaya, yaitu warna putih, merah, biru, ungu, dan orange. b. Detektor Detektor yang dipakai dalam penelitian ini adalah LDR (Light Dependent Resistor). c. Pembangkit putaran. Pembangkit getaran yang digunakan dalam penelitian ini adalah motor DC 12 Volt 2400 rpm. d. Power Supply Power Supply digunakan sebagai sumber tegangan pada pembangkit putaran. e. Adaptor Adaptor digunakan sebagai sumber tegangan pada light source dengan tegangan 12 V. f. Multimeter Multimeter yang digunakan merupakan jenis multimeter analog. g. Arduino-UNO Piranti interface yang digunakan dalam penelitian ini berupa Arduino-UNO. Interface dihubungkan dengan detektor dan komputer. 3.2.2. Bahan yang Digunakan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:
36 a. Serat optik Serat optik yang digunakan adalah Plastic Optical Fiber (POF) berbahan polimer jenis multimode dengan diameter 0,5 mm. b. Reflector Jenis reflector yang dipilih dalam penelitian ini adalah allumunium foil karena mampu memantulkan cahaya dengan baik dan memiliki ketebalan yang sesuai yakni tidak memberikan dampak perubahan intensitas akibat beda ketebalan. c. Komponen elektronika pendukung Komponen elektronika pendukung yang digunakan seperti: 1) Light Dependent Resistor (LDR), 2) Kabel penghubung, 3) Resistor. 4) Kapasitor. 5) Variable resistor 3.2.3. Software Penunjang a. Origin 8 Software Origin 8 digunakan untuk melakukan pengolahan data dan plotting grafik. Data hasil akuisisi dalam bentuk format file.xls diolah lebih lanjut dan ditampilkan dalam bentuk grafik menggunakan software ini. b. LabView 2013 Software LabView 2013 digunakan untuk membuat program utama yang berfungsi untuk akuisisi data, menampilkan data, dan pengolahan data. Akuisisi data yang dimaksud adalah pengambilan data digital dari interface menuju komputer untuk diolah. Data tersebut kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik. Pengolahan data dalam program ini adalah mengubah grafik dalam domain waktu ke dalam domain frekuensi. Pengontrolan dalam pengambilan data juga dilakukan menggunakan program ini termasuk lama delay pengambilan data.
37 c. Microsoft Excel Microsoft Excel digunakan sebagai tempat menyimpan data yang diperoleh dari program LabView. Semua grafik yang diperoleh dari pengambilan data dalam program LabView dapat diexport ke dalam format excel sehingga lebih mudah untuk disimpan dan diolah lebih lanjut. 3.3. Prosedur Penelitian Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Terdapat dua bagian utama dalam penelitian ini yakni pembuatan alat sensor putaran dan pengambilan data. Gambar 3.2 merupakan diagram alir penelitian: Penyiapan alat dan bahan Pembuatan sensor putaran: 1. Rancangan sistem serat optik: 2. Pembangkit putaran 3. Light Source 4. Detector 5. Interface 6. Pembuatan program dengan Labview Pengujian masing-masing komponen Set up alat Pengambilan data Analisa data Kesimpulan Gambar 3.2. Diagram alir penelitian
38 3.3.1. Penyiapan Alat dan Bahan. Persiapan alat dan bahan merupakan langkah awal dalam penelitian ini. Persiapan alat meliputi semua alat yang akan digunakan dalam pembuatan sensor putaran, baik alat elektronik maupun alat pendukung seperti gunting, bor, gerinda, obeng, penggaris, cutter, minidrill, jangka, busur derajat, jangka sorong, PCB, dll. Persiapan bahan meliputi bahan-bahan utama seperti serat optik, allumunium foil, double tape, selotip, lem, akrilik, dll. 3.3.2. Pembuatan Sensor Putaran 3.3.2.1. Rancangan Sistem Serat Optik Sistem serat optik yang dimaksud dalam penelitian ini adalah proses jalannya cahaya dari sumber cahaya sampai pada detektor. Cahaya dari sumber cahaya masuk ke dalam transmitter fiber. Cahaya dari transmitter fiber dibawa menuju bidang putar. Pada bidang putar diletakkan reflector yang akan memantulkan cahaya dan ditangkap oleh receiver fiber. Cahaya yang keluar dari serat optik kemudian dideteksi oleh detektor. Gambar 3.3 merupakan gambar sistem serat optik. Gambar 3.3. Sistem serat optik, Di mana: 1. Sumber cahaya, 2. Transmitter Fiber, 3. Sumber putaran, 4. Reflector, 5. Receiver Fiber, 6. Detektor 3.3.2.2. Pembangkit Putaran Pembangkit putaran berupa motor DC 12 volt 2400 rpm. Motor dihubungkan dengan Power Supply sebagai sumber tegangan. Besar tegangan
39 yang masuk pada motor diukur dengan menggunakan multimeter. Gambar 3.4 merupakan skema pembuatan pembangkit putaran. Gambar 3.4. Skema pembangkit putaran. Sistem mekanik putaran (Gambar 3.5) merupakan bagian yang berperan sebagai penghubung putaran dengan sensor serat optik. Sistem mekanik putaran terdiri dari tiga bagian utama yakni, sumber putaran, sumber tegangan, dan reflector. Gambar 3.5. Skema sistem mekanik konfigurasi pemantulan. Pada sumber putaran digunakan motor DC sebagai pembangkit putaran. Sumber tegangan berupa power supply dan digunakan allumunium foil sebagai reflector. Reflector diletakkan pada sebuah piringan (bidang putar) yang dipasang pada poros motor DC. Ketika motor diberikan tegangan maka piringan akan ikut berputar.
40 3.3.2.3. Light Source Light source dibuat dengan menggunakan 3 komponen utama yakni, Light Emitting Diode (LED), resistor, dan adaptor sebagai sumber tegangan. Gambar 3.7 merupakan rangkaian pembuatan light source. Gambar 3.6. Skema sangkaian Light Source 3.3.2.4. Detektor Detektor dibuat dengan menggunakan prinsip pembagi tegangan. Komponen utama dalam pembuatan detektor adalah Light Dependent Resistor (LDR) sebagai sensor cahaya, variable resistor, dan kapasitor. Gambar 3.7 merupakan skema rangkaian detektor. Gambar 3.7. Rangkaian detektor pembagi tegangan. 3.3.2.5. Interface. Interface merupakan perangkat antarmuka untuk menghubungkan detektor dengan komputer di mana data analog dari detektor diubah menjadi data digital
41 sehingga dapat terbaca oleh komputer. Perangkat interface yang digunakan dalam penelitian ini berupa Arduino Uno. Gambar 3.8 merupakan rangkaian interface yang terhubung dengan detektor dan komputer. Agar interface dapat bekerja dan mampu menjalankan perintah dari komputer maka perlu dilakukan pemrograman pada arduino. Program pada arduino juga berfungsi untuk mengontrol besarnya delay dalam pengambilan data. Gambar 3.8. Rangkaian Interface. 3.3.2.6. Pembuatan Program Perangkat lunak dalam penelitian ini dibedakan menjadi dua yakni program untuk akuisisi data pada antarmuka dan program untuk sensor putaran. Program akuisisi data pada antarmuka berfungsi untuk mengambil data dari detektor, mengubah data analog menjadi digital, dan mengirimkan data menuju komputer. Program akuisisi data pada antarmuka dibuat dengan menggunakan software Arduino untuk kemudian dimasukkan ke dalam antarmuka. Berikut merupakan listing program akuisisi data pada antarmuka arduino Uno. void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin( );} void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: int ldr=analogread(0);
42 //Serial.write(highByte(ldr)); //Serial.write(lowByte(ldr)); Serial.println(ldr); delay( ); delaymicroseconds( );} Perangkat lunak selanjutnya adalah program pengukuran frekuensi putaran yang dibuat dengan software LabView. Program ini berfungsi untuk pengoperasian dalam akuisisi data, menampilkan grafik fungsi waktu dan tegangan serta melakukan pengolahan data untuk mengubah grafik dalam domain waktu ke dalam domain frekuensi atau operasi Fast Fourier Transform yang sudah dijelaskan pada BAB II dan menampilkan grafik fungsi frekuensi dan amplitudo. Gambar 3.9 merupakan flowchart dari program sensor putaran. Gambar 3.10 merupakan tampilan front panel dari program pengukuran frekuensi putar. Block diagram program pengukuran frekuensi putaran dapat dilihat pada LAMPIRAN 11. Sebelum melakukan running terlebih dahulu dilakukan pemilihan port yang cocok dengan port yang terhubung dengan antarmuka, kemudian pengisian delay pengambilan data. Setelah dilakukan running program, maka data yang diambil dari antarmuka ditampilkan dalam bentuk grafik tegangan (mv) dan waktu (s). Operasi Fast Fourier Transform dilakukan dengan membagi dua grafik fungsi waktu yang berbentuk sinusoidal, sehingga didapatkan titik tengah dari satu gelombang. Program kemudian merekam data waktu pembentukan setiap gelombang. Setelah data waktu didapatkan kemudian dilakukan pengelompokkan data berdasarkan waktu pembentukan satu gelombang yang sama. Dengan membalik nilai waktu pembentukan satu gelombang maka akan diperoleh nilai frekuensi, sehingga sekarang sudah terkelompokkan data-data dengan frekuensi yang sama. Hasil pengelompokkan nilai frekuensi kemudian ditampilkan dalam bentuk histogram dengan sumbu x berupa frekuensi (Hz) dan sumbu y berupa amplitudo (%). Amplitudo menunjukkan berapa prosentase frekuensi tersebut dalam grafik
43 domain waktu yang sudah direkam. Total dari keseluruhan prosentase adalah 100%. Semua grafik yang ditampilkan dalam program ini dapat diubah ke dalam format file.xls sehingga akan lebih mudah untuk disimpan dan diolah lebih lanjut. Start Masukkan delay dan pilih port Tampilkan grafik real time Hitung frekuensi Tidak Ya Menentukan garis tengah grafik Tampilkan nilai frekuensi dalam bentuk histogram Simpan data Tidak Ya Export data ke excel Ya Menghitug lagi Stop Tidak Gambar 3.9. Flowchart program.
44 Gambar 3.10. Program pengukuran frekuensi putar 3.3.3. Pengujian Alat Pengujian alat dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui apakah masingmasing komponen dapat bekerja dengan baik atau tidak. Pengujian dilakukan terhadap light source, ADC, reflector, dan detektor. Pengambilan data dapat dilakukan jika seluruh komponen bekerja dengan baik. a. Pengujian Detektor Untuk memastikan LDR bekerja dengan baik perlu dilakukan pengujian, yakni dengan memberikan variasi intensitas cahaya yang mengenai LDR. Sumber cahaya yang digunakan adalah Light Emitting Diode (LED). Variasi intensitas cahaya dilakukan dengan mengubah tegangan masukan pada sumber cahaya. Agar intensitas cahaya yang terukur adalah benar intensitas cahaya yang ditangkap oleh LDR maka cahaya dari LED terlebih dahulu difokuskan dengan menggunakan lensa cembung agar tepat mengenai LDR.
45 b. Pengujian Light Source Sensor berbasis serat optik dengan konfigurasi pemantulan memerlukan intensitas cahaya yang tinggi dan stabil agar dapat dipantulkan dan ditangkap oleh receiver fiber dengan baik. Pengujian sumber cahaya yang akan digunakan perlu dilakukan untuk mendapatkan cahaya dengan intensitas yang baik. Pengujian dilakukan pada lima buah LED yaitu LED warna merah, biru, putih, ungu, dan orange. Pengujian dilakukan dengan memberikan variasi tegangan masukan pada light source dan melihat besar intensitas hasil pantulan. Pada masing-masing LED dilakukan variasi tegangan masukan dari 3 12 Volt. c. Pengujian ADC ADC perlu diuji untuk memastikan bahwa konversi data analog menjadi digital berlangsung sempurna tanpa gangguan atau tambahan nilai yang tidak diinginkan. Pengujian ADC dilakukan dengan memberikan tegangan input analog pada ADC dan mengukur tegangan keluarannya. ADC bekerja dengan baik apabila tegangan output yang terukur memiliki nilai yang sama atau hampir sama dengan tegangan input analog. d. Pengujian Reflector Pengujian reflector perlu dilakukan untuk mengetahui perbedaan intensitas cahaya yang terdeteksi ketika serat optik mengenai daerah reflector dan nonreflector. Pertama serat optik diposisikan dihadapan daerah reflector kemudian bidang putar digerakkan secara manual (V input = 0) menuju daerah nonreflector. Setelah intensitas cahaya pada kedua daerah tersebut terdeteksi kemudian dilakukan pengukuran terhadap perubahan daerah dihadapan serat optik secara periodik dengan memberikan tegangan masukan pada sumber putaran. 3.3.4. Set Up Alat Setelah semua bagian sensor putaran selesai dibuat dan dilakukan pengujian, kemudian dilakukan set up alat. Komponen dirangkai sesuai dengan gambar 3.1.
46 3.3.5. Pengambilan Data Pengambilan data dilakukan dengan memutar reflector yang terletak pada bidang putar. Variasi frekuensi putaran dilakukan dengan mengubah tegangan yang masuk (driving voltage) pada pembangkit putaran. Variasi juga dilakukan pada jumlah reflector yang diletakkan pada bidang putar, posisi reflector, ukuran reflector, serta jarak antara serat optik dengan reflector. Gambar 3.11 sampai gambar 3.13 merupakan skema dalam variasi pengambilan data. Gambar 3.11. Skema pengambilan data variasi jumlah reflector Gambar 3.12. Skema pengambilan data variasi posisi reflector
47 Gambar 3.13. Skema pengambilan data variasi ukuran reflector Gambar 3.14. Skema pengambilan data variasi ketinggian reflector Detektor akan mendeteksi setiap perubahan intensitas akibat adanya putaran. Data yang diperoleh berupa data intensitas cahaya dan waktu. Untuk selanjutnya diolah dan diubah dalam domain frekuensi. 3.3.6. Analisis Analisis data dilakukan setelah semua data diperoleh, baik data dalam domain waktu maupun domain frekuensi. Analisis data dilakukan dengan melihat pengaruh variasi yang dilakukan terhadap respon sensor, baik pada variasi driving
48 voltage, jumlah, jarak, dan posisi reflector. Data yang diperoleh juga dianalisa berdasarkan teori-teori yang ada. Kinerja sensor dilihat dari sensitifitas sensor dalam membedakan nilai frekuensi dan juga dengan membandingkan hasil yang diperoleh dengan sensor putaran lain seperti tachometer. Dalam penelitian ini data diolah dengan software penunjang yakni Microsoft Excel, LabView dan Origin. 3.3.7. Simpulan Penarikan kesimpulan dilakukan setelah pengolahan dan analisa data. Kesimpulan yang diambil mengacu pada tujuan penelitian berdasarkan analisis yang telah dilakukan serta memberikan saran untuk perbaikan pada penelitian selanjutnya.
BAB 1V HASIL DAN PEMBAHASAN Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui hubungan antara driving voltage dengan bentuk keluaran dari sensor putaran, mengetahui pengaruh jarak pokok serat optik dengan reflector terhadap sensitifitas sensor, dan mengetahui pengaruh penambahan jumlah reflector serta posisi reflector terhadap keluaran sensor putaran. Untuk dapat mencapai tujuan tersebut perlu dibuat seperangkat alat pendeteksi level putaran. 4.1. Hasil Pengujian Komponen Untuk memastikan semua komponen yang telah dibuat dapat bekerja dengan baik dan layak digunakan, maka perlu dilakukan pengujian pada masingmasing komponen. Pengujian komponen dilakukan pada sumber cahaya, detektor, reflector dan pada ADC. 4.1.1. Uji Detektor Gambar 4.1 merupakan hasil pengujian detektor yang ditampilkan dalam grafik hubungan intensitas dan tegangan keluaran detektor. Data pengujian detektor menunjukkan hubungan yang linier antara intensitas cahaya yang diberikan dengan tegangan keluaran detektor. Ditunjukkan dengan nilai R 2 = 0,9887. Nilai R 2 yang mendekati 1 membuktikan hubungan kelinieritasan antara kedua variable, sehingga dapat disimpulkan bahwa detektor yang dibuat dapat bekerja dengan baik. Sensor cahaya yang digunakan adalah Light Dependent Resistor (LDR). LDR merupakan jenis resistor yang nilai hambatannya dipengaruhi oleh intensitas cahaya yang mengenainya. Ketika intensitas cahaya tinggi, maka hambatan LDR akan menurun dan ketika dikenai intensitas cahaya yang rendah maka hambatan LDR akan meningkat. LDR dipilih sebagai sensor cahaya karena memiliki daerah deteksi yang sesuai dengan sumber cahaya yang digunakan, yakni pada rentang panjang gelombang cahaya tampak. Sumber cahaya yang digunakan adalah Light 49