RANCANG BANGUN SENSOR BEBAN BERBASIS SERAT OPTIK SINGLEMODE-MULTIMODE-SINGLEMODE MENGGUNAKAN HIGH DENSITY POLYETHYLENE SEBAGAI MATERIAL PENAHAN BEBAN

(1)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5

RANCANG BANGUN SENSOR BEBAN BERBASIS SERAT OPTIK

SINGLEMODE-MULTIMODE-SINGLEMODE MENGGUNAKAN

HIGH DENSITY POLYETHYLENE SEBAGAI MATERIAL PENAHAN

BEBAN

(2)

Sensor beban termasuk SENSOR ELASTIK (Bentley, 1995).

Sensor beban merupakan elemen yang PENTING (Zhang, 2007).

BEBAN

Teknologi sensor beban: piezoelectric, bending

plate, load celll (Zhang, 2007).

Kelemahan:

Reliability rendah (Koniditsiotis, 2000) Memiliki dimensi besar ,

(3)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 Sumber : Kumar dkk, 2002

Sensor berbasis serat optik telah berkembang pesat (Yin, 2008).

Kelebihan:

Serat optik sangat sensitif,

Dapat digunakan pada jarak yang jauh,

Tidak rentan terhadap interferensi elektromagnetik (Tosi dkk, 2010)

Sensor berbasis serat optik berstruktur

Singlemode-Multimode-Singlemode (SMS)

Teknologi serat optik SMS:

Sensor serat optik SMS dengan teknik mikrobending (Kumar, 2002; Setiono, 2012)

Refraktometer berbasis serat optik SMS (Gao dkk, 2012)

(4)

Penelitian ini merancang sensor beban berbasis serat optik SMS menggunakan High Density Polyethylene

(HDPE) sebagai material penahan beban. Kelebihan:

Tahan korosi, Murah,

Memiliki fleskibilitas yang bagus (Smith, 1990; Callister, 2009)

(5)

Bagaimana merancang sensor beban

menggunakan material HDPE berbasis serat optik berstruktur singlemode-multimode-singlemode dan bagaimana karakteristik statis dari sensor beban yang dirancang?

Merancang dan membuat sensor beban

menggunakan material HDPE berbasis serat optik berstruktur singlemode-multimode-singlemode dan melakukan uji karakteristik statis dari sensor beban yang dirancang.

1. Pengujian pada beban statis.

2. Suhu lingkungan dianggap konstan. Permasalahan

Batasan Masalah

(6)

Mekanika Polimer

𝑃₀ = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑔𝑎𝑦𝑎 𝑀 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑎𝑘𝑎𝑛 𝑑𝑖𝑢𝑘𝑢𝑟 𝑔 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 2𝐿₀ = 𝑙𝑒𝑏𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

Mengalami deformasi

(Wang, 2006)

HDPE Lapisan pertama HDPE Lapisan kedua

(7)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 𝜎₂ = 𝑃1 ′ _{𝑥 − 𝑃} 2(𝑥) 𝜈𝐴 𝑑𝑥 𝐿 0 𝜀2 = 𝜎₂(𝑥) 𝐸 𝑑𝑥 𝐿 0 𝜀_𝐿 = 𝑀𝑔 𝑛 + 1 𝐴_𝑝𝐸_𝑝𝜈_𝑝 Lapisan Pertama Lapisan Kedua

Strain Longitudinal

dari sistem  Sumber: (Wang, 2006)

Mekanika Polimer

𝜎 = 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠 𝜀 = 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝑃₁ 𝑥 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑔𝑎𝑦𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝜈 = 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛′𝑠 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 𝐸 = 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑢𝑠 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝐴 = 𝑙𝑢𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 (Wang, 2006) (Wang, 2006) (Wang, 2006)

(8)

Serat Optik

Berdasarkan Moda, terdapat 2 macam serat optik: Singlemode dan Multimode

Sumber: (Bentley, 2005)

(9)

Mekanika Serat Optik

Perubahan indeks bias 𝑛 = −𝑛𝑖

3

2 𝑝12 − 𝜈 𝑝11 + 𝑝12 𝜀𝐿 = −𝑝𝑒𝜀

Perubahan jari-jari 𝑟 = 𝑟𝜈𝜀_𝐿

n_i = indeks bias core atau cladding

p₁₁, p₁₂= koefisien strain optik

p_e= koefisien strain serat optik efektif.

_L= strain longitudinal sistem

r = jari-jari awal serat optik

 = Poisson’s ratio

_L= strain longitudinal sistem

Saat terjadi pembebanan, serat optik mengalami:

Perubahan panjang 𝑙 = 𝑙𝜀_𝐿

l = panjang awal serat optik

(10)

Serat Optik SMS

Serat Optik singlemode

membangkitkan moda-moda pada serat optik multimode

Jumlah moda yang dapat

dibangkitkan adalah sebanyak

𝑚 = 𝑉2 2

dan

𝑉 = 2𝜋𝑎 𝜆 𝑛1 2 _{− 𝑛} 2 2 a = jari-jari core

n

1 = indeks bias core

(11)

Serat Optik SMS

Pemanduan cahaya pada serat

optik SMS juga terjadi peristiwa MMI pada bagian serat optik multimode

Titik self-imaging Dipelajari menggunakan

(12)

Serat Optik SMS

Titik self-imaging

Terjadi pada jarak,

𝐿_𝑖 = 2𝜋

𝛽₀−𝛽₁

 = konstanta propagasi

Daya yang keluar dari serat optik dapat dihitung menggunakan persamaan:

𝑃𝑠𝑚 = 𝐴₀2 + 𝐴₁2𝑒𝑖 𝛽0−𝛽1 𝐿 + ⋯ 2

A0 = amplitudo daya yang ter-couple

(13)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 Mulai Studi Literatur Perancangan Sensor Beban Karakterisasi Performansi Sensor Beban Karakteristik Sensor Baik? Penghitungan Karakteristik Statis Sensor Beban dan

Analisa Data Penulisan Laporan Selesai Tidak Ya

Pengukuran Kestabilan Sumber Cahaya

(14)

Desain Faktor Keamanan

𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑘𝑒𝑎𝑚𝑎𝑛𝑎𝑛 = 𝑘𝑒𝑘𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

𝑘𝑒𝑘𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎

Ditentukan sebesar 1,49 Kekuatan dari material

yang digunakan sebesar 29 MPa

(15)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500  L (c m ) Beban (N) -0.14 -0.12 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500  r (  m) Beban (N) 1.42 1.425 1.43 1.435 1.44 1.445 1.45 1.455 1.46 0 3 6 9 ₁₂ ₁₅ ₁₈ ₂₁ ₂₄ ₂₇ ₃₀ ₃₃ ₃₆ ₃₉ ₄₂ ₄₅ ₄₈ ₅₁ ₅₄ ₅₇ ₆₀ ₆₃ ₆₆ ₆₉ ₇₂ ₇₅ ₇₈ ₈₁ ₈₄ ₈₇ ₉₀ ₉₃ ₉₆ ₉₉ 10 2 10 5 10 8 11 1 11 4 11 7 12 0 12 3 in d e ks b ias Jari-jari (m)

(16)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 R ad iu s ( m) Length of MMF, L-MMF (m) 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 x 105 -60 -40 -20 0 20 40 60 R ad iu s ( m) Length of MMF, L-MMF (m) 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 x 105 -60 -40 -20 0 20 40 60 R ad iu s ( m) Length of MMF, L-MMF (m) 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 x 105 -60 -40 -20 0 20 40 60 Beban 0 N Beban 1961,2 N Beban 3992,4 N

(17)

(18)

Panjang serat optik multimode MEMPENGARUHI profil daya keluaran serat optik akibat pembebanan

(19)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 Mengukur kestabilan sumber cahaya Membuat serat optik berstruktur SMS Membuat sensor beban Melakukan uji pembebanan statis Melakukan perhitungan karakteristik statis sensor

(20)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 Serat optik multimode Serat optik singlemode patchcord fusion splicer Fiber cleaver Fiber stripper

Panjang Serat Optik Multimode yang digunakan adalah 10,6 cm

(21)

Sensor beban Dimensi Alat :

Panjang :

20

cm

Lebar :

10

cm

Tebal :

1

cm (tiap lapisan)

(22)

Sectio n 1 Sectio n 2 Sectio n 3 Section 4 Sectio n 5 480

(23)

(24)

Sensor yang

dirancang

Range Input

Sensitivitas

(



W/kg)

Resolusi

(kg)

Histeresis

(%)

R

2

180 - 400 kgf

(1765.26 –

3922.8 N)

0.118

0.42

39.60

0.952

(25)

(26)

Telah dilakukan perhitungan dan pembuatan sensor beban berbasis serat optik berstruktur SMS menggunakan HDPE sebagai material penahan beban. Dimensi sensor beban 20 cm x 10 cm x 1 cm dengan serat optik ditanam pada material penahan beban lapisan bawah. Sensor yang dirancang mempunyai range pengukuran linier pada beban 180-400 kgf. Sensitivitas sensor sebesar 0.118 W/kgf dan resolusi sebesar 0.42 kgf.

1. Untuk meningkatkan sensitivitas dan menurunkan nilai histeresis perlu dilakukan penelitian variasi teknik pemasangan serat optik pada material pelindung dan variasi material penahan beban.

2. Perlu dilakukan pengontrolan efek lingkungan seperti getaran dan suhu.

(27)

Bentley, J.P. 1995. Principles of Measurement Systems. Third Edition. Longman Singapore Publisher: Singapore

Callister, William D dan Rethwisch, David G. 2009. Material Science and

Engineering: An Introduction. Eight Edition. John Wiley and Son, Inc:

USA

Gao, R.X, Wang, Q., Zhao, F., Meng, B., dan Qu, S.L. 2010. Optimal Design and

Fabrication of SMS Fiber Temperature Sensor For Liquid. Optics Communication, Vol 283, Hal. 3149-3152

Hatta, Agus Muhammad, dkk. 2010. Strain Sensor Based on a Pair of

Singlemode-Multimode-Singlemode Fiber Structure in a Ratiometric Power Measurement Scheme. Applied Optic Vol. 29 No. 3

Koniditsiotis, Chris. 2000. Weigh In Motion Technology. National Library of Australia Cataloguing-in-Publication data

Kumar, Arun. 2003. Transmission Characteristics of SMS Fiber Optic Sensor

Structure. Optics Communications 219 hal 215-219.

Kumar, Arun, Varshney, Ravi K, Kumar, Rakesh. 2004. SMS fiber optics

microbend sensor structures: effect of the modal interference. Optics Communications 232 hal 239-244

(28)

Kuntaraco, Rionda B, Sekartedjo, AM. Hatta. 2013. Pengembangan Metode

Pengukuran Beban Menggunakan Serat Optik Berstruktur

Singlemode-Multimode-Singlemode. Tesis Program Magister Institut

Teknologi Sepuluh Nopember

Lixin, Zhang. 2007. An Evaluation of The Technical and Economical Performance

of Weigh In Motion Technology. A thesis presented to the University

of Waterloo

Morshed, Ahmed Hisham. 2011. Self-imaging in Single mode-Multimode-Single

mode Optical Fiber Sensors.

Painter, Paul C, Coleman, Michael M. 1997. Fundamental of Polymer Science. Technomic Publishing Company: USA

Setiono, Andi dan Widiyatmoko, Bambang. 2012. Desain Sensor Beban

Kendaraan Menggunakan Teknik Mikrobending Serat Optik. TELAAH

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 hal 33-36 Smallman, R.E dan Ngan, A.H.W. 2007. Physical Metallurgy and Advanced

Materials. Seventh Edition. Elseiver: Burlington

Smith, William. 1990. Principles of Material Science and Engineering. Mc.Grawhill: Singapore

(29)

Thyagarajan, K. 2007. Fundamental of Fiber Waveguide Modes. Winter College on Fibre Optics, Fibre Lasers and Sensors. Physics Department IIT Delhi

Tosi, D, Olivero, M, Vallan, A, Perrone, G. 2010. Weigh-in-motion through fibre

Bragg-grating optical sensors. Electronics Letters, Vol. 46, No. 17.

Wang, Ke, dkk. 2010. Fiber-Bragg-Gratting-based weigh-in-motion system using

fiber-reinforced composites as the load-supporting material. Optical

Engineering Vol. 45(6)

Yin, Shizuo, Ruffin, Paul B, Yu, Francis T.S. Fiber Optics Sensor Second edition. CRC Press: USA

(30)

(31)

(32)