PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR
BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN
BEBERAPA TITIK TARIK
Disusun Oleh:
IMAM GHOSSAN ASMAWAN M0210035
SKRIPSI
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA November, 2015
i
PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR
BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN
BEBERAPA TITIK TARIK
Disusun oleh:
IMAM GHOSSAN ASMAWAN M0210035
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA November, 2015
ii
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI
Penentuan Konfigurasi Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca Model Gabungan Beberapa Titik Tarik
Oleh
IMAM GHOSSAN ASMAWAN M0210035
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul: Penentuan Konfigurasi Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca Model Gabungan Beberapa Titik Tarik
Yang ditulis oleh :
Nama : Imam Ghossan Asmawan NIM : M0210035
Telah diuji di depan dewan penguji pada Hari : Kamis
Tanggal : 19 November 2015
Dewan Penguji:
1. Mohtar Yunianto, S.Si., M.Si NIP. 19800630200501 1 001
2. Dr. Fahru Nurosyid, S.Si., M.Si NIP. 19721013200003 1 002
3. Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D NIP . 19680508 199702 1 001
4. Sorja Koesuma, S.Si., M.Si NIP . 19720801 200003 1 001
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul “PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN BEBERAPA TITIK TARIK“ adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau diphotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 1 November 2015
v MOTTO
“If you can’t explain it simply, you don’t understand it well enough.”
(Albert Einstein)
“Whatever you’re, be a good one” (Abraham Lincoln)
“You don’t have to be a genius or a visionary or even a college graduate to be
successful. You just need a framework and a dream.”
(Michael Dell)
“Try not to become a man of success, but rather try to become a man of value.”
(Albert Einstein)
“Just follow your heart and go for what you love.”
(Steve Angello)
“If something is important enough you should try, even if the probable outcome is failure.”
(Elon Musk)
“Failure is an option here, if thing are not failing, you are not innovating enough.”
vi
PERSEMBAHAN
Karya ini kupersembahkan kepada:
Ibu dan Bapak Tercinta Adik-adikku Tersayang
Sahabat-sahabatku Almamaterku
vii
Penentuan Konfigurasi Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca Model Gabungan Beberapa Titik Tarik
IMAM GHOSSAN ASMAWAN
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Skripsi ini berisikan tentang penelitian mengenai penentuan konfigurasi sensor tanah longsor berbasis fiber optik kaca model gabungan beberapa titik tarik. Sistem sensor yang dikembangkan menggunakan prinsip modulasi intensitas
macrobending loss. Bagian utama dari sensor ini terdiri dari sensor pergerseran
fiber, piranti linier mekanis, dan juga piranti SMS gateway yang dilengkapi dengan piranti alarm. Dengan terintegrasi terhadap teknologi SMS gateway sehingga dapat mengirimkan sinyal ketika tercapai kondisi kritis. Pengambilan data dilakukan dengan melilitkan fiber optik dalam rubber silicon dengan variasi diameter yaitu 1 cm; 1,5 cm; 2 cm; dan 2,5 cm. Jumlah lilitan pada tiap variasi diameter juga divariasi yaitu antara 1 lilitan hingga 10 lilitan. Fiber koil yang terbentuk diberi penekanan yang mengakibatkan perubahan intensitas cahaya keluaran pada fiber optik. Perubahan intensitas cahaya tersebut akan dibaca oleh program interface yang telah dibuat menggunakan software LabView 2013. Dari macam-macam konfigurasi yang diteliti didapatkan bahwa daerah loss dengan konfigurasi diameter 2,5 cm dan 10 jumlah lilitan memiliki tren grafik yang linier. Dari hasil penelitian ini juga membuktikan bahwa konfigurasi tersebut memiliki sensitifitas terbaik sehingga diterapkan pada tiap sistem titik tarik yang masing-masing terintegrasi pada piranti SMS gateway. Sensor ini telah dilakukan simulasi pada model longsor dan mampu mengirimkan sinyal SMS ketika pergeseran tanah dicapai sebesar 4 cm. Hal ini berlaku juga pada tiap titik tarik pada sistem sensor.
Kata kunci : sensor tanah longsor, sensor fiber optik, multipoint sensor, SMS Gateway, macrobending loss
viii
Determine Configuration of Landslide Sensor Based on Glass Optical Fiber with Multi-Monitoring Model
IMAM GHOSSAN ASMAWAN
Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University
ABSTRACT
Determine configuration of landslide sensor based on glass fibre optical multi-monitoring model has been researched. This sensor developed using intensity modulation principle macrobending loss. Mainly part of this sensor consist of displacement fibre sensors, mechanical displacement sensors, and Short Messaging Service (SMS) gateway equipped with a siren. This sensor can send a signal SMS when critical condition has been reached. Optical fibre sensors made by wrapping a glass optical fibre around a holey elastic cylinder. The elastic cylinder made with diameter of 1 cm; 1,5 cm; 2 cm; & 2,5 cm. The number of turn for each diameter was varied from 1 turn to 10 turns. A coil fibre gave pressured would made a changed of output light intensity. This changed would read by interface program has made with LabView 2013. From the experimental results, we suggest a configuration with 2,5 cm coil diameter and 10 turns has best sensitivity for applied to sensor systems. The configuration looked from linear graph trend about relation between light loss and displacement. The sensor has been simulated on landslide model and it could sent a warning SMS when critical displacement reached, for example 4 cm. This work occured too in every point of system.
Keywords : landslide sensor, optical fibre sensor, multipoint sensor, SMS Gateway, macrobending loss
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT atas segala limpahan nikmat dan karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan Skripsi. Sholawat dan salam senantiasa penulis haturkan kepada Rasulullah SAW yang telah menjadi panutan serta suri tauladan umatnya.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Sains ini penulis beri judul “PENENTUAN KONFIGURASI SENSOR TANAH LONGSOR BERBASIS FIBER OPTIK KACA MODEL GABUNGAN BEBERAPA TITIK TARIK“. Terselesaikannya Skripsi ini adalah suatu kebahagiaan bagi penulis. Setelah sekitar satu semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan Skripsi ini tepat waktu. Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya Skripsi ini terselesaikan juga. Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini penulis ucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses pengerjaan Skripsi ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan kepada:
1. Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D (Pembimbing I). 2. Bapak Soerja Koesuma, S.Si., M.Si (Pembimbing II) 3. Ibu Dra. Riyatun, M.Si (Pembimbing Akademis).
4. Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Jurusan Fisika FMIPA UNS.
5.
Ibu dan Bapak, atas semua kasih sayang dan kesabaran dalam mendidik. 6. Rekan kerja Laboratorium Optics & Photonics.7. Rekan-rekan Fisika FMIPA UNS.
Semoga Allah SWT membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amiin.
Penulis menyadari akan banyaknya kekurangan dalam penulisan Skripsi ini. Namun demikian, penulis berharap semoga karya kecil ini bermanfaat.
Surakarta, 01 November 2015
x PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Pembuatan Sensor Tanah Longsor Berbasis Fiber Optik Kaca dengan Metode Penambahan Titik Acuan” akan dipublikasikan pada Digital Library Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.
xi DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ... HALAMAN PERSETUJUAN ... i ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
HALAMAN PERNYATAAN ... iv
HALAMAN MOTTO ... v
HALAMAN PERSEMBAHAN ... vi
HALAMAN ABSTRAK ... vii
HALAMAN ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
HALAMAN PUBLIKASI ... x
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR SIMBOL ... xvi
DAFTAR LAMPIRAN ... xviii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang Masalah... 1
1.2. Batasan Masalah ... 3
1.3. Perumusan Masalah ... 4
1.4. Tujuan Penelitian ... 4
1.5. Manfaat Penelitian ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. Macam-macam Sensor Tanah Longsor ... 6
2.2. Aplikasi Fiber Optik dalam Sensor Tanah Longsor... 12
2.3. Pemantulan dan Pembiasan Cahaya ... 16
2.4. Perambatan Cahaya dalam Fiber Optik ... 18
2.5. Rugi-Rugi Kelengkungan Fiber Optik ... 20
2.6. Tanah Longsor ... 24
2.7. Jenis Tanah Longsor ... 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 30
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ... 30
3.2. Alat dan Bahan Penelitian... 30
3.2.1. Alat yang Digunakan dalam Penelitian ... 30
3.2.2. Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ... 31
3.3. Prosedur Penelitian ... 31
3.3.1. Penyiapan Alat dan Bahan ... 32
3.3.2. Pembuatan Rubber Silinder Berulir ... 33
3.3.3. Pembuatan Program Interface Akuisisi Data ... 34
3.3.4. Pembuatan Piranti SMS Gateway ... 35
3.3.5. Set-up Peralatan Penelitian ... 35
3.3.6. Set-up Sensor di Lapangan ... 36
xii
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 40
4.1. Hasil dan Pembahasan ... 40
4.1.1. Perangkat Keras ... 41
4.1.2. Program Interface Akuisisi Data ... 44
4.1.3. Loss Cahaya Akibat Pergeseran ... 45
4.2. Hubungan Antara Loss Cahaya dengan Transmitansi ... 53
4.3. Aplikasi Sensor Tanah Longsor untuk Lapangan ... 57
4.4. Pemantauan Kecepatan Pergerakan Tanah ... 62
BAB V PENUTUP ... 65
5.1. Kesimpulan ... 65
5.2. Saran ... 65
DAFTAR PUSTAKA ... 67
xiii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 3.1. Data Hubungan Transmitansi dengan Kelengkungan dan
Jari-Jari Kelengkungan ... 39
Tabel 3.2. Data Hubungan antara Pergeseran Kecil dan Loss cahaya ... 39
Tabel 3.3. Data Hubungan Jumlah Lilitan dan Loss Cahaya ... 39
Tabel 4.1. Fungsi Tombol pada Rangkaian Display ... 43
Tabel 4.2. Persamaan Garis pada Grafik Hubungan Transmitansi dengan Pergeseran ... 51
xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Hasil Interpretasi Gambar dari Satelit ... 8
Gambar 2.2. Hasil Akuisisi Data Menggunakan Metode SAR ... 9
Gambar 2.3. Hasil Pengamatan Menggunakan Metode TLS ... 10
Gambar 2.4. Ilustrasi Pemasangan Hydraulic Jack dan Sensor dalam Metode Seismik ... 11
Gambar 2.5. (a) Distribusi Sensor Saat Pengukuran dan (b) Skema Sederhana Pengolahan Data ... 12
Gambar 2.6. Skema Ilustrasi Sistem Monitoring Longsor ... 14
Gambar 2.7. Pemasangan FBG di dalam Inclinometer... 15
Gambar 2.8. Pemantulan dan Pembiasan Cahaya pada Bidang Batas antar Medium ... 16
Gambar 2.9. Muka Gelombang Cahaya yang Bergerak Maju ... 17
Gambar 2.10. Perubahan Kelajuan Cahaya dalam Medium Berbeda ... 17
Gambar 2.11. Mekanisme Pembiasan Cahaya ... 18
Gambar 2.12. Cahaya Datang yang berada pada Sudut Kritis ... 19
Gambar 2.13. Pemantulan Internal Total ... 19
Gambar 2.14. (a) Geometri Fiber Optik saat Melengkung dan (b) Penyetaraan dengan Distribusi Indeks Bias pada Fiber Lurus 20 Gambar 2.15. Grafik Kelengkungan pada y = f(x) ... 21
Gambar 2.16. Gaya Gravitasi Tegak Lurus dengan Bidang Datar ... 24
Gambar 2.17. Gaya Gravitasi yang Bekerja pada Benda dengan Sudut Kemiringan Tertentu ... 25
Gambar 2.18. (a) Butir Tanah pada Kondisi Kering dan (b) Butir-Butir Tanah yang Telah Disusupi Air ... 26
Gambar 2.19. Longsor Translasi ... 27
Gambar 2.20. Longsor Rotasi ... 28
Gambar 2.21. Longsor Pergerakan Blok ... 28
Gambar 2.22. Longsor Runtuhan Batu ... 29
Gambar 3.1. Skema Tahapan-Tahapan Penelitian ... 32
Gambar 3.2. Rubber Silinder Berulir ... 33
Gambar 3.3. Bahan pembuat silinder berulir (a) Silicone Rubber RTV (b) Hardener Silicone RTV ... 34
Gambar 3.4. Flowchart Program Interface Akuisisi Data ... 34
Gambar 3.5. Skema Set-Up Peralatan Penelitian ... 35
Gambar 3.6. Perubahan Bentuk Silinder Berulir (a) Sebelum Pergeseran dan (b) Setelah Pergeseran sejauh d ... 36
Gambar 3.7. Ilustrasi Set-Up Sensor di Lapangan ... 37 Gambar
Gambar 3.8. 3.9.
Skema Sistem Sensor ... Skema konversi pergeseran tanah ke penekanan fiber optik..
37 38 Gambar 4.1. Fiber Koil (a) Sebelum Dilakukan Penekanan dan (b)
xv
Setelah Dilakukan Penekanan ... 40
Gambar 4.2. Perangkat Keras yang Digunakan (a) Mikrokontroler Arduino Uno dan (b) Rangkaian Detektor Cahaya LDR ... 41
Gambar 4.3. Piranti SMS Gateway... 42
Gambar 4.4. Piranti Display ... 43
Gambar 4.5. Tampilan Program Interface Akuisisi Data ... 44
Gambar 4.6. Fiber Optik yang Dililitkan pada Silinder Berulir ... 46
Gambar 4.7. Geometri Elips ... 46
Gambar 4.8. Grafik Hubungan antara Pergeseran dengan (a) Kelengkungan dan (b) Jari-Jari Kelengkungan... 47
Gambar 4.9. Grafik Hubungan antara Transmitansi dengan Pergeseran Kecil pada Diameter Lilitan (a) 1,0 cm; (b) 1,5 cm; (c) 2,0 cm; dan (d) 2,5 cm ... 49
Gambar 4.10. Perambatan Cahaya dalam Fiber Optik Terlilit pada (a) Kondisi Normal dan (b) Saat diberi Penekanan ... 50
Gambar 4.11. Grafik Hubungan antara Jumlah Lilitan dengan Gradien Garis Transmitansi ... 52
Gambar 4.12. Grafik Hubungan Diameter Lilitan dengan Gradien Garis .... 53
Gambar 4.13. Grafik Hubungan antara Loss Cahaya dengan Pergeseran pada Diameter Lilitan (a) 1,0 cm; (b) 1,5 cm; (c) 2,0 cm; dan (d) 2,5 cm... 54
Gambar 4.14. Daerah Sensing yang Baik pada Diameter 2,5 cm dengan 10 Lilitan ... 56
Gambar 4.15. Profil Daerah Sensing untuk Diterapkan di Sistem Sensor... 57 Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar 4.16. 4.17. 4.18. 4.19. 4.20. 4.21. 4.22. 4.23.
Piranti Linier Mekanis ... Media Alat yang Digunakan untuk Pergeseran Tanah ... Tali yang terhubung ke Piranti Linier Mekanis dan juga User... Uji Sensor Lapangan (a) Piranti Linier yang langsung terintegrasi Sensor dan (b) Ilustrasi Pemasangan Patok yang terhubung ke Piranti Linier Mekanis ... SMS berisi Peringatan Bahaya ... Ilustrasi Desain untuk Penerapan Sensor di Lapangan ... Pola Grafik Pengujian Sensor (a) Hubungan Pergeseran Tanah dengan Waktu dan (b) Hubungan Kecepatan Tanah dengan Waktu ... Tipikal Grafik terjadinya Longsor ditinjau dari Kecepatan Tanah dengan Waktu Pantau ...
58 59 59 60 61 61 62 64
xvi
DAFTAR SIMBOL
Satuan
𝜃1 = Sudut datang Derajat
𝜃2 = Sudut bias Derajat
𝑛1 = Indeks bias medium pertama 𝑛2 = Indeks bias medium kedua 𝑟 = Koefisien refleksi
𝑡 = Koefisien transmisi
𝐸𝑟 = Banyaknya sinar pantul Watt/m2
𝐸𝑖 = Banyaknya sinar datang Watt/m2
𝐸𝑡 = Banyaknya sinar bias Watt/m2
𝑃𝑖 = Energi sinar datang Watt
𝑃𝑟 = Energi sinar pantul Watt
𝑃𝑡 = Energi sinar bias Watt
𝑅𝑟 = Reflekstansi
𝑇𝑡 = Transmitansi
𝜃𝑐 = Sudut kritis Derajat
𝜃𝑎 = Sudut penerimaan Derajat
𝑛0 Indeks bias udara 𝑛𝑐𝑜𝑟𝑒 = Indeks bias core 𝑛𝑐𝑙𝑎𝑑𝑑𝑖𝑛𝑔 = Indeks bias cladding
𝑁𝐴 = Numerical Aperture
𝜏 = Sudut antara sumbu x dengan garis singgung Derajat
∆𝑠 = Jarak antara titik P dan Q m
∆𝜏 = Perubahan sudut garis singgung 𝜏 Derajat
K = Kelengkungan fiber optik mm-1
R = Jari-jari kelengkungan fiber optik mm
𝛼 = Koefisien loss cahaya akibat bending
𝐶1 = Konstanta 1
xvii
𝐼𝑜𝑢𝑡 = Intensitas cahaya keluaran Watt/m2
𝐼𝑖𝑛 = Intensitas cahaya masukkan Watt/m2
N = Jumlah lilitan
𝑃𝑚𝑜𝑑 = Daya modulasi Watt
𝑃𝑟𝑒𝑓 = Daya referensi Watt
𝑃 = Daya Watt
𝑉 = Tegangan Volt
𝑅Ω = Hambatan Ohm
𝑉𝑟𝑒𝑓 = Tegangan referensi Milivolt
𝑉𝑚𝑜𝑑 = Tegangan modulasi Milivolt
𝑔 = Gravitasi bumi (9,8 ms-2)
𝑔𝑝 = Gravitasi tegak lurus bidang miring 𝑔𝑡 = Gravitasi searah bidang miring
𝑊 = Gaya berat Newton
𝑚 = Massa kg
d = Perubahan jarak penekanan mm
𝑎 = Jari-jari sumbu horizontal elips mm
𝑏 = Jari-jari sumbu vertikal elips mm
𝜋 = 3,14
𝑟 = Jari-jari lingkaran mm
𝑥 = Sumbu x
𝑦 = Sumbu y
Kmax = Kelengkungan maksimum mm-1
R2 = Nilai linieritas grafik
L = Panjang fiber optik m
no = Indeks bias fiber lurus
ne = Indeks bias efektif
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Block Diagram Program Interface Akuisisi Data ... 70
Lampiran 2. Data Penelitian (Diameter koil 1,0 cm)... 71
Lampiran 3. Data Penelitian (Diameter koil 1,5 cm)... 76
Lampiran 4. Data Penelitian (Diameter koil 2,0 cm)... 81
Lampiran 5. Data Penelitian (Diameter koil 2,5 cm)... 86
Lampiran 6. Listing Program Sensor Tanah Longsor... 96
Lampiran 7. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 1,0 cm) ... 106
Lampiran 8. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 1,5 cm) ... 108
Lampiran 9. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 2,0 cm) ... 110
Lampiran 10. Grafik Transmitansi vs Pergeseran (Diameter koil 2,5 cm) ... 112
Lampiran 11. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 1,0 cm) ... 114
Lampiran 12. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 1,5 cm) ... 116
Lampiran 13. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 2,0 cm) ... 118
Lampiran 14. Grafik Loss vs Pergeseran (Diameter koil 2,5 cm) ... 120
Lampiran 15. Skema rangkaian piranti display ... 122
Lampiran 16. Skema rangkaian piranti alarm ... 123