SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2012 (SFN XXV), 19-20 Oktober 2012, Palangkaraya
Rancang Bangun Alat Ukur Dimensi Benda Bergerak Dengan Laser He-Ne dan Zelscope (Hery Suyanto) 16
Rancang Bangun Alat Ukur Dimensi Benda Bergerak Dengan Laser He-Ne dan Zelscope
Hery Suyanto
Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Udayana Jl. Kampus Bukit Jimbaran, Kuta, Badung, Bali, 80361
Telp : (0361)701954 ext. 246 E-mail : [email protected]
Abstrak
Telah dilakukan perancangan dan pembuatan alat pendeteksi lebar benda yang sedang bergerak dengan laser He-Ne dan Zelscope. Gerakan benda mencacah sinar laser dan menghasilkan frekuensi sinyal optik. Sinyal optik ditangkap oleh sensor dan diubah ke tegangan 5V saat hidup (on) dan 0 V saat mati (off). Tegangan keluaran dihubungkan ke soundcard pada PC yang telah dihilangkan fungsi tapis lolos atas dan periode sinyal optik gerakan benda dianalisis dengan software Zelscope. Kalibrasi alat dilakukan dengan frekuensi standar dari lampu stroboscope dan osiloskop dengan kesalahan = 0,5 % [1]. Sedangkan modul soundcard dan software Zelscope dikalibrasi dengan osiloskop dengan kesalahan = 0.15%. Aplikasi pendeteksian lebar baling-baling kipas angin dengan kesalahan = 0.3%
Kata Kunci : Laser He-Ne, soundcard PC, lebar baling-baling kipas angin, frekuensi sinyal optik, Zelscope
Abstract
Prototype equipment for detecting the dimension of a moving object had been carried out. The moving object chopped the He-Ne Laser to produce optical signal. The optical signal was converted to voltage of 5 volt by sensor when the laser passed through the moving object and 0 volt vice versa. The optical signal frequency of the laser on or off caused by moving object was analyzed by Zelscope software. A calibration of this equipment used standard frequency of stroboscope and a digital oscilloscope with accuracy was more than 99.5 % [1]as well as the calibration of soundcard module and Zelscope software with oscilloscope had precision higher than 99,8 %. An application of this system had been done to detect the propeller width of moving vane with accuracy was more than 99.7 %
Keywords : He-Ne Laser, soundcard PC, propeller width of vane, optical frequency, Zelscope software
PENDAHULUAN
Peralatan elektronika merupakan bagian dari kehidupan dunia pendidikan. Untuk mempermudah pemahaman suatu proses belajar mengajar dalam pendidikan serta untuk meningkatkan daya nalar penelitian, maka diperlukan suatu alat bantu untuk memvisualisasikannya baik melalui rangkaian elektronika maupun dengan aplikasi software tertentu. Namun kebanyakan peralatan visualisasi yang sudah tersedia dipasaran membutuhkan biaya yang cukup mahal sehingga tidak dapat dijangkau oleh semua kalangan pendidik. Berdasarkan kenyataan ini, maka dalam penelitian ini telah merancang dan membangun suatu rangkaian elektronika dengan komponen yang murah dan tersedia dipasaran serta banyak aplikasinya terutama yang berhubungan dengan gerak benda dan berbasis optik.
Dalam penelitian ini dibagi dua kelompok yaitu rancang bangun elektronika untuk mengubah intensitas cahaya ke signal listrik dan rangkaian antar muka untuk menvisualisasi data dengan software Zelscope. Pada bagian pertama telah dibuat dan telah dipersentasikan pada suatu pertemuan ilmiah[1]. Pada penelitian pertama ini datanya dianalisis dan divisualisasikan dengan osiloskop. Karena harga osiloskop cukup mahal, maka pada penelitian ini telah memodifikasi rangkaian antar muka soundcard[2] pada PC sebagai jembatan untuk memvisualisasi dan menganalisis data melalui software Zelscope[3].
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2012 (SFN XXV), 19-20 Oktober 2012, Palangkaraya
Rancang Bangun Alat Ukur Dimensi Benda Bergerak Dengan Laser He-Ne dan Zelscope (Hery Suyanto) 17
TINJAUAN PUSTAKA
1. Gerak Melingkar.
Berdasarkan gambar 1, kipas angin dengan baling- baling selebar AB (tali busur) berputar kekiri pada porosnya dengan kecepatan sudut tetap ω. Pada saat bersamaan Laser He-Ne di tembakan ke titik A yang mana seolah-olah bergerak ke kanan menuju titik B melalui busur lingkaran selama selang waktu t dan membentuk sudut θ sebesar [4]:
………….. 1
sehingga lebar baling-baling AB dapat didekati dengan persamaan :
( ) Dimana R jarak laser ke poros putaran ( jari-jari), t waktu tempuh laser dari A ke B, dan f frekuensi putaran kipas angin dan dalam prateknya nilai f yang ditunjukan pada zelscope dibagi dengan jumlah baling-baling.
2. Rangkaian Elektronika.
Rangkaian elektronika yang merupakan antar
muka penghubung antara data dengan software Zelscope adalah modul sound-card yang sudah ada dalam PC.
Secara garis besar diagram kanal masukan sound-card ditunjukan pada gambar 2, yang mana terdiri dari tapis lolos atas (high-pass filter) dan rangkaian ADC[2]. Rangkaian dasar
tapis lolos atas RC dalam sound-card digunakan untuk memblok masukan signal DC[5]. Sedangkan dalam penelitian ini signal inputnya merupakan signal DC 0 volt atau 5 volt, untuk itu rangkaian RC di putus (atau dihubungkan singkat), sehingga signal input langsung ke rangkaian ADC. Sound-card yang digunakan pada penelitian ini dengan tipe YMF724F[6]
EKSPERIMEN
Skema penelitian untuk menentukan dimensi benda yang bergerak seperti ditunjukan pada gambar 3. Untuk menghasilkan sinyal optik, sinar Laser He-Ne dicacah (chopper) oleh kipas angin. Sinar yang tidak mengenai baling-
baling kipas angin akan ditangkap oleh sensor dan menghasilkan tegangan 5 volt (sensor on) dan sebaliknya 0 volt (sensor off) [1]. Tegangan DC ini selanjutnya masuk ke jalur masukan (input) pada soundcard gambar 2 dan frekuensinya dianalisis dengan software Zelscope.
Gambar 1. Lintasan laser He-Ne pada baling-baling kipas angin
θ R
Lintasan laser Lebar baling-baling
poros A B
X
C R ADC
Filter input
Soundcard
dihubungkan singkat
Gambar 2. Diagram sederhana sound-card, dengan menghubungkan singkat tapis lolos atas [2]
PC Gambar 3. Rangkaian penelitian
Laser He-Ne
Kipas angin
Rangkaian pengubah signal optik ke tegangan
DC [1] soundcard Zelscope
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2012 (SFN XXV), 19-20 Oktober 2012, Palangkaraya
Rancang Bangun Alat Ukur Dimensi Benda Bergerak Dengan Laser He-Ne dan Zelscope (Hery Suyanto) 18 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Kalibrasi Zelscope
Kalibrasi rangkaian pengubah signal optik ke signal tegangan DC telah dilakukan pada penelitian sebelumnya [1] dengan kesalahan 0.5 % terdahap standarnya.
Selanjutnya untuk melihat keakurasian software zelscope dalam mengolah data frekuensi atau periode suatu signal yang diumpankan, maka perlu dilakukan kalibrasi dengan alat standar yaitu dengan digital storage oscilloscope merk Gwinstek tipe GDS-1062. Keluaran signal tegangan DC diparalel untuk diumpankan ke oscilloscope dan ke sound- card pada PC untuk diolah dengan software Zelscope.
Rangkaian RC pada sound card dihubungkan singkat agar tidak terjadi coupling atau untuk menghilangkan filter sehingga dapat membaca inputan signal DC. Dengan memvariasi tegangan kipas angin dengan Power Supply AC/DC : 2-12 V, I: 5 A Merk IEC Australia diperoleh frekuensi yang berbeda-beda. Frekuensi ini ditangkap dan diolah oleh zelscope dan oscilloscope seperti ditampilkan pada gambar 4.
Gambar 4 menunjukkan besarnya frekuensi baik yang dideteksi oleh Zelscope maupun Oscilloscope dengan memvariasi tegangan kipas angin. Grafik menunjukkan hampir tidak terlihat adanya perbedaan frekuensi antara yang dibaca oleh Zelscope maupun oscilloscope, namun berdasarkan data ternyata ada perbedaan atau kesalahan yang sangat kecil yaitu rata-rata sebesar 0.15 % yang mana frekuensi zelscope lebih besar dari oscilloscope.
Berdasarkan data ini, maka software zelscope dan modul soundcard dapat digunakan untuk aplikasi mengukur lebar benda yang berputar.
Penentuan lebar baling-baling kipas
Untuk mengaplikasikan alat ini, maka digunakan untuk menghitung lebar baling-baling kipas angin merk Maspion dengan spesifikasi : terdiri dari 3 baling-baling, 2 skala tegangan. Sedangkan sumber cahaya yang digunakan adalah Laser He-Ne merk Leybold (made W. Germany) daya 1 mW dengan panjang gelombang 632.8 nm. Laser diarahkan ke baling-baling kipas angin pada jarak atau
jari-jari 49.5 mm dari pusat putaran dan pada saat laser berada diantara baling-baling, maka sinar laser diteruskan dan mengenai sensor yang selanjutnya menghasilkan sinyal dengan 5 volt.
Demikian sebaliknya bila laser mengenai baling-baling, maka sensor tidak menerima cahaya dan tegangannya 0 volt.
Tegangan 5 volt dan 0 volt membentuk gelombang kotak seperti di tampilkan di software zelscope pada gambar 5. Gambar 5, menunjukkan gelombang kotak yang ditampilkan oleh Zelscope yang terdiri dari bukit dan lembah. Bukit(on) gelombang dengan amplitudo (tegangan) 5 volt selama 1,619 ms yang dihasilkan karena laser berada diantara baling-baling dan mengenai sensor. Sedangkan mati(off) gelombang dengan amplitude 0 volt selama 6,381 ms dihasilkan karena laser terhalang oleh baling-baling. Selanjutnya periode gelombang dengan menambahkan waktu on dan off yaitu 8 ms. Periode ini korelasi dengan frekuensi sebesar 125 Hz. Sedangkan frekuensi yang ditampilkan oleh zelscope sebesar 124,799 Hz, sehingga terjadi selisih sebesar ((125-124,799)/125) x 100% = 0,16%.
Selisih frekuensi antara hitungan melalui periode gelombang
dengan frekuensi yang ditampilkan oleh zelscope ini disebabkan karena frekuensi yang ditampilkan di zelscope Gambar 4. Grafik hubungan antara frekuensi yang diukur oleh Zelscope dan Osciloscope fungsi tegangan kipas
Waktu sensor on (1,619ms) Waktu sensor off (6,381 ms)
Gambar 5. Tampilan di Zelscope untuk kipas angin skala 2
0 50 100 150 200 250 300
0 2 4 6 8 10 12 14
frekuensi osciloscope frekuensi zelscope
Frekuensi, Hz
tegangan kipas, volt
SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2012 (SFN XXV), 19-20 Oktober 2012, Palangkaraya
Rancang Bangun Alat Ukur Dimensi Benda Bergerak Dengan Laser He-Ne dan Zelscope (Hery Suyanto) 19 merupakan rata-rata jumlah gelombang selama satu detik sedangkan periode gelombang dihitung pada saat satu gelombang saja. Selanjutnya nilai lebar baling-baling kipas angin ditentukan berdasarkan persamaan 2 dengan data- data seperti pada tabel 1.
Tabel 1. Perhitungan lebar baling-baling kipas angin Saklar/skala tegangan
(kecepatan)
Frekuensi rata-rata (Hz) (3 baling-baling)
R(jari-jari) (cm)
Waktu rata- rata (ms)
Lebar (cm)
1 119.876/3 = 39,959 4,95 6,575 7,28
2 124,783/3= 41,594 4,95 6,341 7,29
Rata-rata lebar baling-baling 7,285
Tabel 1, menunjukkan perhitungan lebar baling-baling kipas angin dengan rata-rata lebar baling-baling adalah 7,285 cm. Bila dibandingkan dengan kenyataan yang diukur dengan jangka sorong yaitu 7,26 cm, maka terdapat kesalahan sebesar ( ) . Kesalahan ini bisa disebabkan karena lintasan laser lebih panjang dibandingkan dengan jarak pengukuran jangka sorong dari titik A ke titik B seperti pada gambar 1. Berdasarkan keakuratan data tersebut, maka alat ini dapat digunakan untuk mengukur benda-benda kecil yang bergerak beraturan.
KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan hasil pengamatan dapat disimpulkan bahwa pengukuran lebar benda yang bergerak dengan metode optik mempunyai kesalahan = 0.3 % terhadap sesungguhya. Software Zelscope sangat akurat untuk menghitung frekuensi sehingga dapat menggantikan oscilloscope yang harganya cukup mahal. Disarankan sebaiknya menggunakan transitor jenis Mosfet switching agar kesalahan frekuensi berkurang dan sangat sensitive serta mampu mendeteksi frekuensi diatas 10000 Hz
DAFTAR PUSTAKA.
1. Suyanto H, Rancang Bangun (Prototipe) Alat Ukur RPM dengan LASER He-Ne, Proseding seminar Nasional SNGFM, Univ. Widaya Mandala Surabaya, hal 49-56, 2011.
2. Smilen Dimitrov, Proceeding of the 2010 Conference on New Interfaces for Musical Expression (NIME 2010), ydney, Australia 303-308 (2010)
3. Konstantin Zeldovich, Zelscope, http://www.zelscope.com, diunduh 10 mei 2011
4. William T. Thomson, terjemah oleh Lea Prasetyo.Teori Getaran dengan Penerapan. Ed.2, penerbit Erlangga,1981 5. B.L. Theraja and A.K. Theraja. Electronic devices and Circuits ( A Text-Book of Electrical Technology) vol.4.
Published, Nirja Construction & Development Co.(P) LTD, RAM NAGAR, New-Delhi,1995 6. Yamaha corporation YMF724F CATALOG No.:LSI-4MF724F20 , January 14, 1999
