Sensor Pergeseran Berbasis Rugi Daya Kelengkungan pada Serat Optik Plastik untuk Deteksi
Longsor
Dwi Nurfatimah & Arifin*
Jurusan Fisika FMIPA UNHAS
Fotodetektor
Penguat
Voltmeter
Penelitian ini merupakan studi awal perancangan sensor deteksi longsor dengan memanfaatkan serat optik plastik sebagai basis penginderaan. Serat optik dirancang sebagai sensor yang peka terhadap pergeseran dengan metode rugi-rugi daya kelengkungan untuk mendeteksi long-sor.Sensor serat optik plastik diletakkan di antara dua buah plat yang dipasang pada pipa silinder dan dihubungkan dengan pegas sebagai penyangga. Metode pengukuran menggunakan prinsip perubahan intensitas cahaya oleh pe-rubahan kelengkungan pada sensor serat optik dengan model kelengkungan ganda. Kepekaan sensor pergeseran dianalisis berdasarkan pergeseran dan jumlah kelengkung-an gkelengkung-anda. Hasil penelitikelengkung-an menunjukkkelengkung-an bahwa pergeserkelengkung-an pada kelengkungan ganda mengakibatkan terjadinya ke-lengkungan pada sensor serat optik. Semakin besar perge-seran yang diterapkan pada sensor, maka rugi daya pada serat optik plastik semakin meningkat dan tegangan kelu-aran sensor semakin kecil. Hasil pengukuran yang dipero-leh adalah sensitivitas semakin meningkat dengan bertam-bahnya jumlah rol atau kelengkungan ganda. Sensor pergeseran ini menawarkan desain yang sangat sederhana, fabrikasi yang mudah, biaya murah dengan sensitifitas yang tinggi.
Kata Kunci: Sensor pergeseran; serat optik plastik, long-sor. eksternal. Longsor merupakan salah satu bencana paling mahal yang memberikan dampak kerusakan infrastruktur bagi kehidupan manusia. Upaya-upaya penanggulangan bencana longsor terus dilakukan, salah satunya dengan membuat instrumen yang dapat mendeteksi longsor secara dini [1]. Antisipasi bencana melalui monitoring daerah rawan dengan pengembangan sistem instrumentasi kebencanaan menjadi sangat perlu untuk dilakukan [2]. Khusus untuk bencana longsor, sistem pendeteksian yang dikembangkan juga bermacam-macam, salah satunya dengan memanfaatkan serat optik.
Penggunaan serat optik yang memiliki kinerja khusus sebagai media transmisi cahaya secara luas digunakan dalam sistem komunikasi. Berbagai keunggulan yang dimiliki oleh serat optik seperti atenuasi yang rendah, kecepatan transmisi data yang tinggi dan tidak terpengaruh oleh gelombang elektromagnetik membuat pemanfaatannya semakin meluas [3]. Salah satu yang menjadi perhatian peneliti adalah memanfaatkan serat optik sebagai media penginderaan yang juga didorong oleh perkembangan teknologi opto-elektronik saat ini [4]. Sensor yang memanfaatkan serat optik sebagai basis penginderaannya
semakin berkembang dan menawarkan sensor fisik dengan teknik yang berbeda-beda untuk berbagai parameter. Penelitian dan pengembangannya pun telah meluas untuk aplikasi pada bidang yang beragam, salah satunya adalah untuk pemantauan perubahan lingkungan seperti mendeteksi pergeseran (displacement), suhu (temperature), tegangan (stress) hingga penggunaannya dalam bidang industri, pemantauan kondisi struktur bangunan dan medis [5-11].
Sensor serat optik telah dikembangkan untuk sensor pergeseran berbasis modulasi intensitas dengan berbagai desain dan konfigurasi. Dalam perkembangannya telah dikembangkan pula sensor serat optik yang berbasis pada sensor pergeseran untuk aplikasi biomedis, industri, dan pendeteksi kekasaran permukaan logam [12-15]. Dalam hal ini, sensor pergeseran serat optik dapat menjadi dasar dari pengembangan sensor untuk mendeteksi parameter-parameter fisis yang lain di berbagai bidang. Berdasarkan material bahannya, serat optik terdiri dari dua jenis yaitu serat optik gelas (Glass Optical Fiber = GOF) dan serat optik plastik (Plastic Optical Fiber = POF). Dibandingkan dengan serat optik gelas, serat optik plastik lebih cocok untuk digunakan pada perangkat penginderaan. POF memiliki keuntungan lebih di antaranya adalah, numerical aperture lebih tinggi, konektivitas mudah, lebih murah dan fleksibilitasnya tinggi [16]. Berdasarkan lokasi penginderaan, sensor serat optik dapat diklasifikasikan sebagai sensor intrinsik dan sensor ekstrinsik [4]. Sensor serat optik intrinsik memiliki stabilitas sinyal yang lebih tinggi karena daya keluarannya berubah sesuai dengan variasi parameter yang diukur.
Untuk meningkatkan sensitivitas sensor pergeseran berbasis serat optik plastik, maka pada penelitian ini dilakukan metode kajian rugi-rugi daya berdasarkan lekukan besar (macrobending). Sensor pergeseran yang dibuat memiliki keunggulan yaitu sistem pengukuran yang sederhana, mudah dibuat, biaya murah dan memberikan stabilitas sinyal yang tinggi serta jangkauan pengukuran yang lebih luas. Sensor pergeseran ini menggunakan serat optik plastik sebagai media penginderaan dengan konfigurasi sebagai sensor intrinsik yang menggunakan model kelengkungan ganda (cycling bending).
Metode Penelitian
(a)
(b)
Gambar 1. Sensor pergeseran berbasis kelengkungan pada serat optik plastik (a) Blok diagram sistem sensor pergeseran (b) Skema sensor pergeseran berbasis serat optik plastik
Sensor pergeseran berbasis serat optik plastik disambungkan dengan sumber cahaya LED dan fotodetektor. Sumber cahaya yang digunakan adalah LED infra merah jenis IF-E91A dengan karakteristik panjang gelombang 950 nm. Sedangkan fotodetektor menggunakan fototransistor jenis IF-D92. Serat optik plastik terbuat dari bahan polymethyl metacrylate (PMMA) dengan diameter lapisan jaket, selubung, dan inti masing-masing adalah 2,2 mm, 1 mm, dan 0,98 mm. Indeks bias inti dan selubung serat optik plastik masing-masing adalah nco = 1,492 dan ncl = 1,402 dengan nilai celah numerik NA = 0.5.
Cahaya dari LED melewati dan dimodulasi oleh sensor serat optik. Intensitas cahaya dari LED kemudian dideteksi oleh fototransistor. Adanya faktor lekukan besar (macrobending) akan menyebabkan terjadinya rugi daya dan perubahan intensitas cahaya pada serat optik yang merupakan representasi dari penginderaan pergeseran pada sensor. Sinyal dari fototransistor dihubungkan dengan rangkaian penguat selisih (differensial), sehingga tegangan keluaran dari fototransistor dapat diperbesar.
Untuk meningkatkan sensitivitas sensor pergeseran berbasis serat optik plastik, maka dilakukan variasi jumlah pelekukan (cycling bending) berupa rol/pipa silinder dan variasi jenis penyangga dinamis berupa pegas atau bantalan
karet. Pengambilan data dilakukan dengan variasi jumlah
cycling bending yang dibuat empat macam yaitu tiga, lima, tujuh dan sembilan rol. Pengukuran daya keluaran dilakukan pada setiap pergeseran 0,5 mm mulai dari 0 sampai dengan 10 mm. Pada jarak pergeseran yang sama dilakukan pengukuran daya keluaran untuk 3 jenis penyangga dinamis yaitu 2 jenis pegas dengan konstanta yang berbeda dan satu jenis bantalan karet.
Hasil dan Diskusi
Setup eksperimental pada alat dilakukan untuk pengukuran pergeseran dalam kisaran dari 0 mm sampai 10 mm dengan perubahan 0.5 mm. Intensitas cahaya dari LED yang me-rambat ke dalam serat optik plastik yang mengalami gang-guan berupa lekukan yang akan menyebabkan terjadinya rugi-rugi daya pada serat optik plastik. Penurunan intensi-tas cahaya pada serat berbanding lurus dengan rugi daya dan tegangan keluaran sensor seiring dengan perubahan pergeseran yang diterapkan. Respon perubahan tegangan keluaran terhadap perubahan pergeseran pada sensor yang menggunakan pegas dengan variasi jumlah cycling bending
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2016
Optimalisasi Geosains Dalam Era MEA
Makassar, 6 Agustus 2016
(a)
(b)
Gambar 3. Grafik perubahan tegangan keluaran terhadap pergeseranmenggunakan bantalan karet Data hasil pengukuran pengaruh pergeseran dan jumlah
bending terhadap tegangan keluaran sensor pergeseran ber-basis serat optik plastik, dianalisi untuk menentukan nilai range tegangan keluaran, sensitivitas, dan resolusinya. Un-tuk menenUn-tukan nilai range tegangan keluaran sensor per-geseran dapat menggunakan persamaan:
∆ = Vmax - Vmin (1)
dengan Vmax sebagai tegangan keluaran maksimum dan Vmin sebagai tegangan keluaran minimum.
Sensitivitas sensor pergeseran dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
S
=
V
max❑−
V
minL
max−
L
min(2)
dengan L max sebagai pergeseran maksimum dan Lmin sebagai pergaseran minimum.
Selanjutnya resolusi sensor pergeseran dapat dihitung dengan persamaan berikut:
R
=
N
S
(3)dengan N adalah skala terkecil dari voltmeter yaitu 0,01 Volt dan S adalah sensitivitas dari sensor pergeseran.
Data dari hasil pengukuran menggunakan sensor pergeser-an berbasis serat optik plastik dipergeser-analisis dengpergeser-an mengguna-kan persamaan (1), (2), dan (3) di atas. Hasil yang diper-oleh adalah nilai range tegangan keluaran, sensitivitas dan resolusi sensor pergeseran berbasis serat optik plastik, seperti ditampilkan pada Tabel 1.
Hasil analisa data pada Tabel 1 di atas menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah rol atau cycling bending yang digu-nakan, maka semakin tinggi range tegangan keluaran dan sensitivitas sensor serta semakin kecil resolusi sensor. Se-hingga sensor pergeseran berbasis serat optik plastik memi-liki sensitivitas dan resolusi yang baik jika menggunakan
cycling bending semakin banyak. Begitupula dengan jenis
pegas yang digunakan, jika semakin kecil konstanta pegas, maka sensitivitas dan resolusi sensor pergeseran juga sema-kin baik. Hasil pengukuran menggunakan sensor pergeser-an berbasis serat optik plastik ypergeser-ang terbaik diperoleh pada pegas jenis kedua dan jumlah rol adalah 9. Pada kondisi tersebut nilai karakteristik sensor pergeseran terbaik yang diperoleh adalah range tegangan keluaran 2,83 volt, sensiti-vitas 0,283 volt/mm dan resolusi 0,0353 mm.
PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2016
Optimalisasi Geosains Dalam Era MEA
Makassar, 6 Agustus 2016
Tabel 1. Karakteristik sensor pergeseran berbasis serat optik plastik
Jenis Penyangga Jumlah Rol Range Tegangan Ke-luaran (Volt) Sensitivitas(Volt/mm) Resolusi(mm)
Pegas 1 dapat digunakan untuk mendeteksi pergeseran yang terjadi. Perubahan tegangan keluaran sebanding dengan perubahan pergeseran yang diterapkan pada sensor. Semakin besar pergeseran yang terjadi, maka tegangan keluaran sensor semakin kecil. Jumlah kelengkungan ganda dan pemasangan pegas atau bantalan karet pada sensor berpengaruh terhadap sensitivitas dan resolusi sensor. Semakin banyak jumlah kelengkungan ganda dan semakin kecil konstanta pegas yang digunakan, maka sensitivitas dan resolusi sensor pergeseran semakin baik.
Pustaka
1. Zhi, Y. D., Yong, L., Li, X. Z., Zhong, H. O., Ce, Z., dan Yong, Z. L. 2008. Landslide Monitoring Based on High-Resolution Distributed Fiber Optic Stress Sensor. Journal of Electronic Science and Technology of China, vol. 6, no. 4, December 2008, pp. 416-419.
2. Widiatmoko, B., Hantono, D., dan Puranto, P., 2010.
Pengembangan Sistem Pengukuran Gejala Fisis Longsor Sistem Elektronik dan Optik, Berkala Fisika, vol. 13, No. 2, pp. B15-B24.
3. Fidanboylu, K. dan Efendioglu, H. S. 2009. Fiber Optik Sensors and Their Application. 5th International Advanced Technologies Symposium (IATS’09). Kaburuk, Turkey.
4. Connely, M. J. 2015. Fiber Sensor. Detection, Elsevier, Ireland.
5. Arifin, A., Hatta, A.M., Muntini,M.S.,and Rubiyanto, A. 2014, “Bent of Plastic Optical Fiber with Structural
Imperfections for Displacement Sensor”, Indian Journal of Pure & Applied Physics (IJPAP), NISCAIR Publication, vol. 52 (Agustus), pp. 520-524.
6. Arifin, A., Hatta, A. M., Sekartedjo, Muntini, M. S., dan Rubiyanto. A. 2015. Long Range Displacement Sensor Based on SMS Fiber Structure and OTDR.
Photonic Sensors, vol.5, no.2, pp. 166-171.
7. Hoffmann, L., Muller, M. S., Kramer, S., Giebel, M., Schwotzer, G., dan Wieduwilt, T. 2007. Application of
Fiber Optic Temperature Measurement. Proc. Estonian
Acad. Sci. Eng., vol. 13, no. 4, pp. 363–378.
8. Kim, H. J., Sampath, U. dan Song, M. H., 2015. Multi-Stress Monitoring System with Fiber-Optic Mandrels and Fiber Bragg Grating Sensors in A Sagnac Loop
Sensors, vol. 15, pp. 18579-18586; DOI: 10.3390/s150818579.
9. Xiangyang, L., Yang, C., Yang, S., dan ouzheng, L. 2012. Fiber-Optical Sensor: Basic and Application in Multiphase Reactors,Sensors 2012, vol. 12, pp. 12519-12544; DOI: 10.3390/ s120912519.
10. Arifin, Hatta, A. M., Muntini, M. S.,dan Rubiyanto, A. 2012, Pengembangan Sensor Regangan Berbasis Fiber Optik untuk Menunjang Structural Health Monitoring System, Prosiding Seminar Nasional Fisika (SNF), FMIPA UNNES, Semarang, pp. FI102-1-6.
11. Taffoni, F., Formica, D., Saccomandi, P., Dipino, dan Schena, E. 2013. Optical Fiber-Based MR-Compatible
Sensor for Medical Application: An Overview.Sensors,
vol. 13, pp. 14105-14120, DOI: 10.3390/ s131014105. 12. Yasin, M., Harun, S. W., Apsari, R., Suharningsih,
of The Consentration Macerated Onto The Artificial
Teeth Using Fiber Optic Displacement Sensor, Journal
of Optoelectronics and Biomedical Materials, vol. 1, no. 1, pp. 1-4.
13. Yasin, M., Harun, S. W., Yang, H. Z., dan Ahmad. H., 2010. Fiber Optic Displacement Sensor for Measurement of Glucose Consentration in Distilled
Water. Optoelectronics and Advanced Materials-Rapid
Communications, vol. 4, no. 8, pp. 10.
14. Munap, D. H. A., Bidin, N., Islam, S., Abdullah, M., Marsin, F. M., dan Yasin, M. 2015. Fiber Optic Displacement Sensor for Industrial Applicatin. Sensors journal, IEEE, vol. 15, no. 9, pp. 4882-4887, DOI: 10.1109/JSEN.2015.2430326.
15. Harun, S. W., Yasin, M., Yang, H. Z., Kusminarto, Karyono, Ahmad, H., Estimation of Metal Surface Roughness Using Fiber Optic Displacement
Sensor.2010. Laser Physics, ISSN 1054-1660x, vol. 20
no. 4, pp. 904-909.
16. Azadeh, M. 2009. Fiber Optic Engineering. Springer Dordrecht Heidelberg. London, New York.
17. Efendioglu, H. S., Yildirim, T., Fidanboylu, K. 2009.
Prediction of Force Measurement of a Microbend
Sensor Based on an Artificial Neural Network. Sensor
