TINJAUAN PUSTAKA
3. Sensor adalah alat (divais) yang mengubah fenomena fisis ke sinyal elektrik. Dengan demikian sensor merepresentasikan bagian dari interface
antara dunia fisis dengan dunia peralatan elektrik.
Istilah yang biasa digunakan untuk mendefinisikan unjuk kerja (performa) sensor yaitu histerisis, validitas dan reliabilitas. Histerisis berguna untuk mengetahui apakah nilai pengukuran dengan arah yang berlawanan memiliki nilai yang sama dan error yang kecil. Error histerisis digunakan untuk menyatakan selisih keluaran yang diperoleh dari nilai besaran yang sama, yang sedang diukur berkenaan dengan apakah nilainya dicapai melalui perubahan kontinu naik atau turun.
Validitas dalam penelitian kuantitatif yaitu bagaimana sebuah penelitian benar-benar mengukur apa yang akan diukur dan bagaimana kebenaran dari hasil penelitian tersebut. Dengan kata lain, validitas menunjukkan ketepatan instrument penelitian untuk mencapai sasaran penelitian tersebut . Tiga validitas dalam penelitian kualitatif adalah validitas deskriptif (descriptive validity), validitas interpretatif (interpretative validity) serta validitas teoritikal (theoretical validity). Validitas deskriptif mengacu pada akurasi berdasarkan fakta-fakta yang
sesungguhnya yang dilaporkan peneliti. Validitas interpretatifdidapatkan berdasar sudut pandang, pemikiran, tujuan dan pengalaman yang dipahami dan dilaporkan oleh peneliti. Validitas teoritikal didasarkan pada seberapa besar sebuah teori atau penjelasan teoritikal yang diperoleh melalui penelitian sehingga dapat dipercaya dan dipertanggungjawabkan.
Reliabilitas (keandalan) adalah persyaratan penting yang harus dimiliki oleh suatu sistem pengukuran. Hal ini berguna untuk mengetahui apakah sistem pengukuran dapat menghasilkan nilai yang sama terhadap perubahan waktu, misalnya akibat meregangya pegas.
2. 6. Photodetektor
Photodetektor atau detektor cahaya adalah sebagai alat penerima komunikasi optik. Fotodetektor mengubah sinyal optik menjadi sinyal elektrik. Keluaran dari penerima adalah sinyal elektrik yang memenuhi spesifikasi dari pengguna kekuatan sinyal, level impedansi, bandwidth, dan parameter lainnya.
Bentuk sistem fotodetektor termasuk dalam alat penerima yang sesuai, biasanya adalah semikonduktor photodioda yang berasal dari komponen optik gelombang cahaya ke alat fotodetektor.
Optoelektronika membuat secara luas mengenai penggunaan energi tranducer. Dalam tranducer, seperti dalam mata kita, cahaya diubah menjadi arus listrik oleh phodetektor (photosensor). Prinsip kerja photodetektor adalah mendeteksi sinyal cahaya yang datang dan mengubahnya menjadi isyarat listrik yang berisi isyarat informasi yang dikirim. Arus listrik tersebut kemudian diperkuat untuk selanjutnya diolah sehingga dapat ditampilkan atau dikeluarkan pada rangkaian elektronika.
Detector cahaya, secara khusus photodiode, dapat dipandang sebagai inverse dari light emitting diode (LED). Disini madukan ke peranti adalah daya optic dan keluaran dari peranti berupa sinyal listrik. Prinsip operasi dari photodiode ini merupakan fenomena fisika sebagaimana yang terjadi pada LED. Detektor cahaya menyerap photon cahaya dan menghasilkan electron, yaitu electron yang dapat menghasilkan arus listrik.
Untuk mendapatkan hasil yang optimum penggunaan photodiode sebagai transducer, secara khusus untukaplikasi system komunikasi optic, maka detector cahaya harus memiliki fitur fitur sebagai berikut:
1. Sensitivitas, kepekaan terhadap cahaya yang datang. Peranti detector cahaya harus sangat sensitive. Arus listrik yang dihasilkan harus sebesar mungkin dalam merespon daya optic masukan. Karena detector cahaya ini selektif terhadap panjang gelombang (responnya terbatasi oleh rentang panjang gelombang), maka sensitifitas ini harus bernilai besar pda daerah panjang gelombang operasi.
2. Responsitivitas, merupakan perbandingan arus keluar dengan cahaya masuk. Waktu respon terhadap Sinyal optic masukan harus cepat. Detektor cahaya harus mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optic masukan berlangsung dalam waktu yang cepat. Hal ini akan memungkinkan untuk menerima data dengan laju bit tinggi.
3. Untuk system penerimaan data analog, detector cahaya harus memiliki hubungan masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk menghindari distorsi Sinyal keluaran.
4. Derau dalam (internal noise) yang dibangkitkan oleh peranti harus sekecil mungkin agar peranti dapat mendeteksi Sinyal optic masukan sekecil mungkin. 5. Effisiensi, merupakan perbandingan jumlah lubang elektron yang terjadi terhadap foton yang masuk. Bila jumlah lubang elektron yang terjadi mendekati banyaknya jumlah foton yang masuk maka lebih baik.
6. Respon time atau rise time, merupakan kecepatan yang dibutuhkan untuk menghasilkan arus terhadap cahaya yang masuk.
7. Bandwidth, berpengaruh terhadap respon time.
Beberapa karakteristik penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, dan kekebalan terhadap pengaruh lingkungan.
2. 7. Rugi – rugi Daya pada Serat Optik akibat Pembengkokan Pada Serat Energi atau daya yang dibawa oleh cahaya akan mengalami pelemahan (rugi-rugi/loss) akibat terjadinya kebocoran atau karena kurangnya kejernihan bahan serat optik. Besaran pelemahan energi sinyal informasi dari serat optik yang biasa
dinyatakan perbandingan antara daya pancaran awal terhadap daya yang diterima dinyatakan dalam deci-Bell (dB) disebabkan oleh 3 faktor utama yaitu absorpsi, hamburan (scattering) dan lekukan (bending losses). Dengan susunan bahan yang tepat maka akan didapatkan attenuasi (pelemahan) yang kecil. Attenuasi adalah pelemahan energi sehingga amplitudo gelombang yang sampai pada penerima menjadi lebih kecil dari pada amplitudo yang dikirimkan oleh pemancar.
Bending yaitu pembengkokan serat optik yang menyebabkan cahaya yang merambat pada serat optik berbelok dari arah transmisi dan hilang. Sebagai contoh, pada serat optik yang mendapat tekanan cukup keras dapat menyebabkan ukuran diameter serat optik menjadi berbeda dari diameter semula, sehingga mempengaruhi sifat transmisi cahaya di dalamnya. Rugi-rugi akibat pelengkungan serat optik dibedakan menjadi dua macam yaitu:
1) Macro bending/pembengkokan makro
Rugi-rugi macro bending terjadi ketika sinar atau cahaya melalui serat optik yang dilengkungkan dengan jari-jari lebih lebar dibandingkan dengan diameter serat optik, sehingga menyebabkan rugi-rugi seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.7.Pembengkokan Sinar Di Dalam Inti Serat Optik Dengan Variasi Sudut Datang
Berdasarkan prinsip pemantulan dan pembiasan cahaya, jika sudut datang lebih kecil dari sudut kritis, maka mode cahaya tidak dipantulkan secara sempurna melainkan lebih banyak dibiaskan keluar dari inti serat optik. Sedangkan untuk sinar yang membentuk sudut datang lebih besar dari sudut kritis, sebagian besar mode cahaya akan dipantulkan kembali masuk ke dalam selubung seperti halnya prinsip pemantulan total. Kondisi ini mengakibatkan perubahan mode. Jumlah
radiasi optik dari lengkungan serat tergantung kekuatan medan dan kelengkungan jari-jari.
2) Micro bending / pembengkokan mikro
Pembengkokan mikro terjadi karena ketidakrataan pada permukaan batas antara teras dan selongsong secara acak atau random pada serat optik karena proses pengkabelan ataupun ketika proses penarikan saat instalasi seperti terlihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.8.Peristiwa Rugi-Rugi Akibat Pembengkokan Mikro
2. 8. Sensor Beban dengan Serat Optik Mikrobending
Sensor yang berbasis intensitas membutuhkan lebih banyak cahaya dan karena itu biasanya menggunakan serat multimode dengan inti yang lebar. Ada berbagai mekanisme seperti rugi daya optik akibat mikrobending, redaman, dan bidang lepas yang dapat menghasilkan perubahan hasil ukur yang diinduksi dalam intensitas optik yang disebarkan oleh serat optik. Keuntungan dari sensor ini adalah kesederhanaan implementasi, biaya rendah, kemungkinan menjadi multiplexing, dan kemampuan untuk tampil sebagai sensor yang didistribusikan secara nyata. Salah satu sensor berbasis intensitas adalah sensor mikrobend, yang didasarkan pada prinsip bahwa mekanik tikungan mikro yang periodik dapat menyebabkan energi dari mode dipandu untuk digabungkan dengan mode radiasi dan akibatnya menghasilkan redaman cahaya yang ditransmisikan. Seperti yang terlihat pada Gambar.2.9, sensor terdiri dari dua pelat beralur dan di antara kedua pelat terdapat serat optik. Pelat atas dapat bergerak sebagai respon terhadap tekanan. Ketika radius tikungan serat melebihi sudut kritis yang diperlukan untuk
membatasi cahaya ke area inti, cahaya mulai bocor ke cladding mengakibatkan modulasi intensitas.
Gambar 2.9.Sensor Intrinsik Serat Optik
Adapun penjelasan yang signifikan yaitu ketika serat terkena tikungan kecil atau gangguan, suatu bagian tertentu dari propagasi cahaya dalam inti serat digabungkan dalam mode radiasi dan hilang. Mode penggabungan dapat dicapai dengan menggunakan pelat bergelombang yang merubah bentuk serat menjadi serangkaian tikungan. Oleh karena itu, mikrobending menyebabkan intensitas cahaya menurun. Dengan memantau dan menghubungkan hilangnya intensitas cahaya, berbagai jenis sensor mikrobend dapat dirancang. Wilayah penginderaan sensor mikrobend terdiri dari dua pelat bergelombang, disebut lempeng deformer. Serat optik ditekan dengan memberi gaya ke bawah karena lipatan atau lekukan lempeng seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9.
Sensor mikrobending serat optik adalah jenis sensor serat berdasarkan prinsip tekukan yang terstruktur yang dapat menyebabkan hilangnya intensitas cahaya, yang terdiri dari susunan lekukan termodulasi dan serat optik. Kinerja sensor mikrobending serat optik ditentukan oleh susunan lekukan (bending), maka metode modulasi lekukan (bending) digunakan untuk menghasilkan periodik lekukan (bending) pada serat optik.
Desain sensor yang dibuat yaitu plat bergerigi atau bergelombang pada sisi atas dan bawah, dan diantara plat diberi sensor serat optik yang mengalami gangguan mikrobending dan mengarahkan pancaran (mentransmisikan) gangguan tersebut. Cahaya yang keluar dan menembus pembungkus (jacket) menyebabkan intensitas cahaya output berkurang atau disebut pelemahan (attenuasi). Besarnya gangguan dapat diperoleh dengan mendeteksi variasi intensitas cahaya, dan tekanan pada sensor mikrobending serat optik dapat diperoleh.
Dari gambar 2.10 deformer dalam menanggapi perubahan gaya ΔF terhadap pembengkokan serat menyebabkan amplitudo deformasi serat X untuk berubah dengan jumlah Ax. Koefisien transmisi T, untuk cahaya yang merambat melalui serat yang bengkok pada gilirannya diubah oleh jumlah ΔT sehingga:
(2.4)
di mana ΔT / Δx adalah sensitivitas, Seperti daerah, ls adalah ketebalan deformer, Ys adalah modulus Young, dan kf adalah konstanta pegas efektif dari serat optik. Konstanta pegas efektif pada gilirannya dapat dinyatakan sebagai berikut:
(2.5)
Dari Persamaan (2.4) dan (2.5), dapat dilihat bahwa jika kekuatan diterapkan pada sensor microbend (ΔF), intensitas cahaya pada output serat akan berubah. Selain itu, parameter geometris deformer seperti periodisitas mekanik, luas penampang deformer, deformasi jarak dan jumlah lipatan akan mempengaruhi intensitas keluaran cahaya. Karena sensor microbend jatuh ke
dalam kelompok sensor serat optik intrinsik, sifat serat seperti modulus Young dan diameter serat akan mempengaruhi intensitas keluaran juga.
Menurut teori gelombang optik, koefisien attenuasi dapat disimpulkan sebagai berikut :
α = K D2 (t) L [
2
, (2.6)
dengan k merupakan konstanta pembanding (rasio), D(t), L & q secara berurutan yaitu besarnya mikrobending, panjang serat optik dan frekwensi jarak lekukan
atau gerigi. Δβ merupakan perbedaan konstanta propagasi yang berdekatan. D(t)
didominasi dari ukuran, L panjang serat antara pelat gerigi, q periode jarak gerigi.
Ketika q = Δβ, kerugian mikrobending sangat besar dan modulasi mudah terganggu, siklus sesuai Λo adalah siklus mikrobending yang optimal.
Gambar 2.11.Skematik Sensor dengan Pelat Bergerigi
Periodisitas mekanik dapat diberikan seperti gambar 2.11 :
Λo =
= (1 + )
1/2
(2.7) ξ konstanta tergantung pada profil indeks bias, untuk graded index ξ = 2 dan untuk serat optik step index ξ = , M adalah jumlah mode dan m adalah jumlah modus. Dalam serat optik multimode, mode orde yang lebih tinggi adalah mode yang paling mudah digabungkan dari serat di lekukan-lekukan kecil. Kemudian diasumsikan M = m dan periodisitas kritis adalah Λo = π a / Δ ½
(untuk serat optik step index) dan Λo = / Δ ½
a radius serat, Δ perbedaan normal indeks antara core dan cladding, Δ = (n1– n2) /
n2.
Dalam studi ini, menggunakan serat optik multimode step index 62,5 μm / 125 μm dan perbedaan normal indeks adalah 0.01. Kemudian periodisitas
mekanik kritis dapat dihitung dan desain jarak gerigi atau lekukan dengan rumus untuk serat optik step index akan meningkatkan sensitivitas sensor secara efektif.
Dengan menempelkan serat optik pada material yang berdaya tahan tinggi dan elastis serta mengatur tingkat bending degan benar, maka respon sensitive terhadap tekanan luar dapat ditingkatkan dan dapat melindungi serat optik secara efektif sehingga daya tahan sensor lebih lama.
2. 9. Pengolahan Data-Data dengan Statistik
Dalam berbagai penelitian tentunya menghasilkan data-data yang akan digunakan untuk mencapai tujuan penelitian. Data-data tersebut dapat diolah dengan statistik misalnya untuk mengetahui apakah suatu variabel berpengaruh terhadap variabel lainnya secara signifikan. Adapun beberapa cara pengujian data dengan statistic salah satunya ANOVA (Analysis of Varians). Analisis variansi adalah suatu prosedur untuk uji perbedaan mean beberapa populasi. Konsep analisis variansi didasarkan pada konsep distribusi F dan biasanya dapat diaplikasikan untuk berbagai macam kasus maupun dalam analisis hubungan antara berbagai varabel yang diamati. Untuk dapat menguji data-data menggunakan ANOVA ada beberapa syarat yaitu data berasal dari sampel yang berbeda, data tersebut harus diuji homogenitasnya, uji normalaitas.Uji normalitas data dimaksudkan untuk memperlihatkan bahwa data sampel berasal dari populasi yang berdistribusi normal. Ada beberapa teknik yang dapat digunakan untuk menguji normalitas data, antara lain uji chi-kuadrat, uji lilliefors, dan uji kolmogorov-smirnov. Uji homogenitas dimaksudkan untuk memperlihatkan bahwa dua atau lebih kelompok data sampel berasal dari populasi yang memiliki variansi yang sama.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3. 1. Tahapan Penelitian
Tahap penelitian yang dilakukan terdiri dari beberapa bagian, yaitu :
Perancangan sensor beban menggunakan serat optik ragam banyak (multimode) tanpa bagian pembungkus (jacket) sehingga bagian terluarnya adalah cladding. Serat optik ini diletakkan di atas karet dengan ukuran 25 x 25 cm dan di
Mulai
Perancangan Sensor
Pengujian Kesetabilan Laser
Pengujian variasi diameter dan jarak kawat
Pengujian Validitas dan Reliabilitas Sensor
Pengolahan Data dan Analisa Statistik
Penarikan Kesimpulan
atasnya melintang kawat stainless dengan panjang 20 cm disusun secara periodik dan di atasnya ditutup lagi dengan karet seperti pada gambar 3.1. Pada sensor beban ini dibuat variasi diameter 1,6 mm dan 2,4 mm serta variasi jarak antar kawat 0,5 cm; 1,0 cm; 1,5 cm; dan 2,0 cm. Sehingga dari perancangan ini terdapat 8 kombinasi rancangan sensor beban.
Gambar 3.1. Rancangan Sensor Beban
Sensor beban dengan 8 kombinasi tersebut akan diuji untuk mengetahui pengaruh variasi diameter dan jarak kawat serta pengaruh interaksi diameter dan jarak terhadap respon sensor tersebut. Sebelumnya akan dilakukan pengujian kesetabilan laser karena hal ini berkaitan dengan respon sensor yang nantinya akan diuji.
Sistem instrumentasi pada penelitian ini seperti pada gambar 3.2 yaitu rangkaian laser yang dihubungkan dengan serat optik yang sudah dirancang menjadi sensor beban kemudian dihubungkan dengan transduser berupa photodetektor yang akan mendeteksi sinyal optik dan terhubung dengan modul DAQ (Data Acquisition) dengan resolusi 16-bit serta PC sebagai perangkat akuisisi data.
Gambar 3.2. Diagram Blok Penelitian
Pada penelitian ini lebih menekankan pada perancangan sensor beban berbasis serat optik dengan prinsip mikrobending yang kemudian didukung dengan beberapa pengujian untuk mendapatkan karakteristik dari sensor beban tersebut. Setelah perancangan sensor selesai maka dilakukan beberapa pengujian yaitu sebagai berikut :
3. 2. Pengujian Kesetabilan Laser
Pada pengujian ini digunakan laser dioda dengan panjang gelombang 1310 nm. Sumber optik tersebut dilewatkan pada sensor beban yang sudah dirancang sebelumnya tanpa diletakkan beban diatasnya. Sensor beban terhubung dengan photodetektor yang merupakan transducer untuk mengubah sinyal optik menjadi sinyal dalam bentuk beda tegangan listrik dengan satuan (Volt) yang akan diubah dalam bentuk sinyal digital dengan menggunakan antarmuka modul Data Translation DAQ (DT9816). Tegangan yang terukur ditampilkan dalam bentuk grafik, seperti pada tampilan PC dengan software Weight In Motion Based Optical Fiber buatan Pusat Penelitian Fisika LIPI, yang terlihat pada pada gambar 3.3. Setiap 30 detik data akan direkam dan indikator status akan menyala, dan pengujian dilakukan selama 17 jam.
Secara umum diagram alir pengujian setelah mengaktifkan software, yaitu :
Gambar 3.4. Flowchart Pengujian Kesetabilan Laser
Keterangan gambar 3.4 :
1. Input data merupakan sinyal optik yaitu laser yang dilewatkan melalui
