Proses Pengukuran dan Karakteristik Fiber Bragg Grating (FBG)

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.2. Proses Pengukuran dan Karakteristik Fiber Bragg Grating (FBG)

Pada penelitian ini, FBG yang digunakan memiliki pusat panjang

gelombang bragg (λ

B

) sebesar 1550 nm produksi Technica SA US. FBG yang

digunakan memiliki panjang grating 10 mm dan berbahan polimide sehingga

mampu dilekukkan tanpa mengalami kerusakan struktural. Gambar 4.3 adalah

spectrum transmisi dari FBG yang digunakan.

Pada Gambar 4.3 membuktikan keberadaan kisi pada FBG yang

digunakan, dimana terdapat pit yang menunjukkan adanya spectrum cahaya yang

dipantulkan akibat keberadaan kisi pada FBG. Akuisisi data spektrum transmisi

40

dilakukan untuk setiap kali pengukuran. Setiap pengukuran diperoleh 1001 iterasi

yang menunjukkan bentuk spektrum transmisi dari sensor FBG. Tabel 4.1 adalah

penyajian sebagian data iterasi, terdapat 20 data yang terdiri dari 5 data awal, 10

data disekitar λ

B

dan 5 data akhir. Dari tabel tersebut diperoleh letak panjang

gelombang bragg(λ

B

) pada setiap spektrum transmisi yang diperoleh pada setiap

pengukuran. Panjang gelombang bragg(λ

B

) berada pada nilai intensitas transmisi

terkecil pada spektrum transmisi yang diperoleh.

Tabel 4. 1. Hasil Iterasi Data Pergesaran Panjang Gelombang Bragg

Indeks ^Intensitas

Transmisi (dBm)

Panjang Gelombang

(nm)

1 -59.72 1545.808

2 -59.716 1545.816

3 -59.721 1545.824

4 -59.73 1545.832

5 -59.727 1545.84

. . .

. . .

. . .

496 -66.59 1549.768

497 -66.923 1549.776

498 -67.303 1549.784

499 -67.53 1549.792

500 -67.663 1549.8

501 -67.696 1549.808

502 -67.655 1549.816

503 -67.544 1549.824

504 -67.405 1549.832

505 -67.171 1549.84

. . .

. . .

. . .

997 -59.963 1553.776

998 -59.974 1553.784

999 -59.979 1553.792

1000 -59.982 1553.8

1001 -59.983 1553.808

41

Uji berikutnya adalah pengaruh pengaruh temperatur terhadap pergeseran

panjang gelombang bragg (λ

B

), sesuai dengan persamaan 2.18. Gambar 4.4

menunjukkan tentang pengaruh kenaikan temperatur terhadap pergeseran

spektrum transmisi pada FBG.

Gambar 4.4 Pengaruh Temperatur Terhadap Pergeseran

Panjang gelombang Bragg

Pergeseran panjang gelombang Bragg (λ

B

) diuji dengan melakukan

pengukuran pada ruang furnace pada range temperatur 27

^o

C-200

^o

C. Pada keadaan

awal, ruang furnace dikondisikan pada temperatur 27

^o

C dan diperoleh λ

B

sebesar

1549,808 nm. Setelah itu, temperatur furnace dinaikkan menjadi 200

^o

C, λ

B

mengalami pergeseran sebesar 1,752 nm sehingga λ

B

menjadi 1551,56 nm. Hal ini

menunjukkan bahwa ketika FBG mengalami proses pemanasan maka akan

menyebabkan pergeseran panjang gelombang bragg karena perubahan indeks bias

efektif (n

eff

) dan perubahan jarak antar kisi bragg (Δ).(Grattan and Meggit 2000b)

Pergeseran panjang gelombang bragg dari FBG diakibatkan dua parameter

yang mencirikan pengaruh suhu pada serat optik yaitu koefisien muai panas

(Thermal Expansion Coefficient = TEC) dan koefisien termo-optik (Thermo-Optic

Coefficient = TOC). Dimana koefisien muai panas mencirikan pemuaian fisik atau

kontraksi volume material, sedangkan koefisien termo-optik mencirikan

perubahan indeks bias sebagai respon dari perubahan suhu. Kedua variable dari

42

FBG yang akan mengalamai peningkatan saat temperatur dinaikkan, sesuai

dengan persamaan (2.19 dan 2.20)(Crips 2001)

.

Uji berikutnya adalah perubahan temperatur terhadap intensitas transmisi

dan pergeseran panjang gelombang bragg FBG. Pengujian dilakukan dengan

range temperatur 27-250

^o

C. Data hasil pengujian perubahan temperatur terhadap

intensitas transmisi dan pergeseran panjang gelombang bragg ditampilkan pada

lampiran A. Hasil pengujiannya dapat dilihat pada Gambar 4.5.

Gambar 4. 5.Perbandingan Pergeseran Panjang Gelombang Bragg Dan Intensitas

Transmisi Dari FBG Akibat Pengaruh Temperatur

Selain berpengaruh secara linear terhadap pergeseran panjang gelombang,

perubahan temperatur juga berpengaruh terhadap intensitas transmisi. Intensitas

transmisi pada Gambar 4.5, berubah secara fluktuatif ketika temperatur

mengalami kenaikan. Karakteristik yang sama juga diperoleh Parne Saidi Reddy

dalam penelitiannya yang membahas tentang pengaruh kenaikan temperatur

terhadap pergeseran panjang gelombang Bragg dan intensitas refleksi dari

FBG(Parne Saidi Reddy et al. 2010).

43

Dari hasil tersebut maka pada penelitian ini, dirancang sensor temperatur

tinggi berbasis pergeseran panjang gelombang bragg λ

B

dari FBG, tanpa

memperhitungkan intensitas transmisi dari FBG. Pengujian karakteristik bare

FBG terhadap temperatur meliputi linearitas, repeatibilty dan hysteresis.

Pengujian ini dimaksudkan untuk mendapatkan karakteristik awal dari FBG

sebelum dilakukan proses enkapsulasi dengan keramik. Analisis karakteristik

FBG yang dilakukan dengan analisis grafik dan analisis perhitungan. Analisis

perhitungan meliputi nilai hysteresis, akurasi, dan repeatability dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut (Bentley 2005)(Fraden 2004)

True

_out

= desired

_out

x Actual

_out

(4.1)

%FSO =

^{Trueoutput−ActualOutput}

YFso

(4.2)

%Hysteresis = %FSO

_naik

− %FSO

_turun

(4.3)

%repeatibility =

^{Stand.Deviasi max−Stand.Deviasi rata−rata}

Full Scale

x100% (4.4)

Dimana FSO= Jangkauan pengukuran Output

Y

FSO

= Output Maksimum

FSO

naik

= FSO pada temperatur naik

FSO

turun

=FSO pada temperatur turun

4.2.1 Pengujian Linearitas dari FBG

Linearitas FBG diuji dengan melakukan pengukuran kenaikan temperatur

pada lempengan panas (hot plate). Hot Plate yang digunakan dirancang khusus

untuk penelitian ini, dengan sumber pemanas dari bahan stript heater, berdimensi

10 x 10 cm, dan daya yang digunakan 250 Watt. Proses pemanasan FBG diawali

dengan menempatkan bagian bragg pada FBG dengan lempengan stainless stell

dengan lebar yang sama dengan panjang bragg yaitu 10 mm. Hal ini dimaksudkan

untuk memastikan bahwa temperatur dari hot plate terdistribusi merata pada

semua bagian dari FBG. Rentang pengukuran untuk uji linearitas adalah 55 – 120

44

o

C dengan variasi kenaikan 5

^o

C. Sebagai kalibrator, digunakan thermokople tipe

K dengan jangkauan pengukuran sebesar 400

^o

C.

Untuk keperluan pengukuran, temperatur hot plate dikondisikan pada

temperatur 50

^o

C, pengukuran temperatur menggunakan termokople dan akuisisi

data dilakukan setiap kenaikan 5

^o

C. Data yang diperoleh dari FBG adalah data

pergeseran panjang gelombang bragg (λ

B

) yang diamati pada OSA. Hasil

pengukuran linearitas diperlihatkan pada Gambar 4.7.

Gambar 4. 6. Persamaan Garis Linear pada Pergeseran panjang gelombang Bragg

Pada Bare FBG

Data hasil pengujian bare FBG terhadap pengaruh kenaikan temperatur

terdapat pada lampiran B. Dari grafik pada Gambar 4.7, terdapat pergeseran

panjang gelombang bragg (λ

B

) yang terbaca di OSA saat FBG mengalami

kenaikan temperatur. Pada temperatur 55

^o

C, puncak λ

B

pada OSA teramati sebesar

1550.268 nm. Ketika temperatur hot plate dinaikkan secara perlahan, pit spektrum

transmisi akan mengalami pergeseran sampai pada batas pengukuran sebesar

120

^o

C dan diperoleh λ

B

sebesar 1551.003.

Berdasarkan kurva yang diperoleh pada Gambar 4.8, diperoleh persamaan

garis linear yaitu λ

B

=0.011T+1549,6. Sensitivitas dari FBG diperoleh dengan

45

mendiferensialkan persamaan garis linear tersebut terhadap temperatur. Maka

diperoleh sensitivitas FBG sebesar 11,52 ± 0,18 pm/

^o

C. Dengan menggunakan

persamaan garis linear pada Gambar 4.6, maka pada temperatur

maksimum(300

^o

C), panjang gelombang bragg bare FBG adalah 1553.056 nm.

4.2.2 Pengujian Repeatibility dari FBG

Repeatibility FBG diuji dengan melakukan pengulangan pengukuran

pengaruh kenaikan temperatur terhadap pergeseran panjang gelombang bragg.

Pengukuran temperatur dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali. Rentang

pengukuran untuk uji repeatability adalah pada temperatur 30 – 120

o

C. Hasil

pengukuran repeatibility dapat dilihat pada Gambar 4.7.

Gambar 4. 7. Hasil Uji Repeatibility Bare FBG

Dari ketiga grafik pada Gambar 4.7, menunjukkan bahwa FBG stabil

walaupun dilakukan pengukuran berulang pada kondisi lingkungan yang berbeda.

Dari ketiga pengambilan data tersebut, diperoleh bahwa terdapat 3 data dengan

standar deviasi 0.2 yaitu pada temperatur 30

^o

C,70

^o

C dan 105

^o

C. Hasil

perhitungan standar deviasi pada setiap temperatur ditunjukkan pada tabel 4.2.

46

Tabel 4. 2. Hasil Perhitungan Standar Deviasi

temperatur λB (nm) Average(nm) Standar Deviasi I II III σ 30 1550.023 1550.055 1550.06 1550.046 0.020 35 1550.098 1550.115 1550.13 1550.114 0.016 40 1550.148 1550.17 1550.18 1550.166 0.016 45 1550.193 1550.22 1550.215 1550.209 0.014 50 1550.238 1550.25 1550.25 1550.246 0.007 55 1550.268 1550.285 1550.285 1550.279 0.010 60 1550.303 1550.325 1550.33 1550.319 0.014 65 1550.368 1550.38 1550.38 1550.376 0.007 70 1550.393 1550.43 1550.425 1550.416 0.020 75 1550.458 1550.46 1550.47 1550.463 0.006 80 1550.508 1550.52 1550.515 1550.514 0.006 85 1550.583 1550.59 1550.595 1550.589 0.006 90 1550.643 1550.66 1550.665 1550.656 0.012 95 1550.698 1550.715 1550.725 1550.713 0.014 100 1550.768 1550.78 1550.785 1550.778 0.009 105 1550.808 1550.845 1550.84 1550.831 0.020 110 1550.878 1550.89 1550.91 1550.893 0.016 115 1550.938 1550.95 1550.96 1550.949 0.011 120 1551.003 1551.01 1551.015 1551.009 0.006

Perhitungan %repeatibility dari FBG dengan menggunakan persamaan 4.4.

Standar deviasi maksimumnya adalah 0.02, sedangkan rata-rata standar deviasi

adalah 0,012. Jangkauan pengukuran maksimum dari tabel 4.1. yaitu 1551.015.

maka repeatability dari FBG adalah

%repeatibility =

^std.Devmax−rata−ratastd.dev

Full Scale

x100%

=

^0.02−0.012

1551.015

x100%

= 0.001%

Dari hasil perhitungan standar deviasi dan uji repeatibiliti dapat

ditunjukkan bahwa tingkat kepresisian data yang diperoleh adalah 0.001. Artinya

adalah jika hasil pengukuran FBG menunjukkan nilai 1551.015, maka apabila

pengukuran dilakukan berulang-ulang maka pembacaan akan berkisar 1551.013 -

1551.016 nm. Dari data yang diperoleh dan analisis perhitungan bahwa FBG

menunjukkan kestabilan dan repeatibiliti yang baik terhadap pengaruh temperatur.

47

4.2.3 Pengujian Hysteresis dari FBG

Pengujian hysteresis dari FBG dilakukan dengan mengukur pergeseran

panjang gelombang pada saat pemanasan (heating) dan pendinginan (cooling).

Pengujian hysteresis diperlukan untuk mengetahui kepresisian FBG terhadap

respon temperatur ketika temperatur dinaikkan dan diturunkan. Range

pengukuran temperatur untuk uji hysteresis berkisar antara 30–120

o

C. Akuisisi

data pergeseran nilai λ

B

dilakukan setiap kenaikan ~5

^o

C. Hasil pengujian

hysteresis diperlihatkan dalam bentuk grafik pada Gambar 4.8.

Gambar 4. 8. Hasil Uji Hysteresis Bare FBG

Perhitungan nilai hysteresis dengan menggunakan persamaan 4.3. contoh

perhitungan nilai hysteresis adalah sebagai berikut

- Berdasarkan hasil pengamatan, pada temperatur 40

^o

C diperoleh λ

Bheating

=

1550.148 nm dan λ

Bcooling

= 1550.058 nm.

- True

output

pada temperatur 40

^o

C yaitu 1550.136 nm, dan Y

FSO

=1551.003

nm.

Dari data tersebut, maka dapat diperoleh nilai %FSO

naik

dan %FSO

turun

.

%𝐹𝑆𝑂 =

^{𝑇𝑟𝑢𝑒𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡−𝐴𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡} 𝑌𝐹𝑠𝑜