Pembuatan Alat Ukur Pola Distribusi Intensitas Difraksi Cahaya Berbasis Mikrokontroller

(1)

Pembuatan Alat Ukur Pola Distribusi Intensitas Difraksi Cahaya

Berbasis Mikrokontroller

Akhmad Yuniar, Prawito

Departemen Fisika –Instrumentasi, FMIPA UI, Kampus UI Depok, 16424

[email protected], [email protected]

Abstrak

Dalam penelitian ini, telah dibuat sebuah alat ukur yang dapat mengukur pola distribusi intensitas cahaya. Dengan memanfaatkan fenomena sifat cahaya, penulis ingin mengetahui besar nilai pola distribusi intensitas difraksi pada cahaya laser yang melewati kisi difraksi. Melalui sensor OPT101 akan terukur sinyal listrik yang nantinya akan dihubungkan ke mikrokontroler. Kemudian alat ini akan dihubungkan dengan komputer menggunakan standar komunikasi serial. Mikrokontroler diprogram menggunakan piranti lunak Bascom AVR, sedangkan komputer digunakan untuk menampilkan hasil pengukuran diprogram dengan menggunakan LabVIEW National-Instrument.

Kata kunci : difraksi cahaya, sensor OPT101, mikrokontroler, LabVIEW

Abstract

In this experiment, has created a measuring instrument which can measure light intensity distribution pattern. By exploiting the phenomenon of the nature of light, the author would like to know the value of the intensity distribution of the diffraction pattern on laser light that passes through a diffraction grating. Through sensors will OPT101 measurable electrical signal which will be connected to the microcontroller. Then the device will be connected to the computer using a standard serial communications. Microcontroller is programmed using software Bascom AVR, while the computer is used to display the measurement results programmed using LabVIEW National-Instrument.

Keywords: diffraction of light, OPT101 sensor, microcontroller, LabVIEW

1. PENDAHULUAN

Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang semakin pesat, maka kebutuhan akan teknologi canggih dan mempermudah manusia dalam melakukan aktifitasnya akan semakin berkembang. Selain itu teknologi yang lebih canggih memberikan kemudahan dalam pengoperasiannya.

Dalam bidang ilmu pengetahuan khususnya fisika, banyak alat ukur yang digunakan untuk mengukur suatu besaran fisika, salah satu contohnya adalah kisi difraksi, alat ini dapat digunakan untuk mengukur panjang gelombang dan struktur serta intensitas

garis-garis spektrum.[4] Oleh sebab itu, perlu adanya alat

(2)

dihasilkan lebih akurat, salah satu contohnya adalah menggunakan sensor OPT101.

Dengan memanfaatkan fenomena difraksi dan interferensi, dan dengan memvariasikan jarak antara layar dan sensor, akan diukur besar intensitas difraksi cahaya. Besar nilai intensitas yang terbaca sensor tersebut akan dikonversi oleh mikrokontroler. Pada mikrokontroler, data tersebut dikonversi dengan teknik ADC (Analog to Digital Converter), teknik ini berfungsi untuk mengubah besaran fisika yang terukur berupa bentuk sinyal listrik analog ke dalam bentuk digital. Hasil pengukuran sensor akan ditampilkan melalui sistem akusisi data yaitu LabVIEW. Berikut merupakan gambar ilustrasi yang dapat menjelaskan cara kerja alat ukur ini.

Gambar 1 Blok diagram

2. METODE PENELITIAN

Difraksi merupakan pembelokan gelombang disekitar celah atau halangan tajam yang terjadi apabila sebagian muka gelombang dipotong oleh halangan

atau rintangan.[4]

Gambar 2 Difraksi cahaya

Alat yang bermanfaat untuk mengukur panjang gelombang cahaya adalah kisi difraksi, yang terdiri atas sejumlah besar garis atau celah sejajar yang berjarak sama pada permukaan datar. Kisi dapat dibuat dengan memotong alur-alur yang berjarak

sama pada kaca atau pelat logam dengan mesin

penggaris presisi. [4]

Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. OPT101 adalah photodioda monolithic dengan transimpedans amplifier pada satu chip. Di dalam sensor OPT101 terdapat fotodioda, op-amp, resistor internal dan 2 kapasitor. Input sensor berupa intensitas cahaya, sedangkan output sensor berupa tegangan. Nilai outputnya linear terhadap intensitas cahaya. Sedangkan Op-amp berfungsi sebagai penguat transimpedans yang mengubah arus ke tegangan.

Gambar 3 Sensor OPT101

Perancangan sistem instrumentasi ini terdiri dari perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Perangkat keras terdiri dari semua sistem elektronika seperti mikrokontroler sebagai pengendali sistem, sensor OPT101 untuk menghitung besar intensitas hasil difraksi, driver motor untuk pengendali kerja Motor DC. Sedangkan perangkat lunak terdiri atas pemrograman mikrokontroler Atmega 8535 dengan menggunakan bahasa program BASCOM-AVR yang dilengkapi dengan komunikasi serial dan elemen antar-muka (interfacing) antara mikrokontroler dengan komputer, menggunakan program LabVIEW. Berikut ini merupakan blok diagram sistem instrumentasi:

(3)

Gambar 5 Rancangan Alat Eksperimen Penelitian ini membutuhkan sebuah konstruksi mekanik yang dapat menunjang pergerakan motor secara dua dimensi untuk mengukur dua variabel yang diperlukan dalam penelitian ini. Yang pertama adalah jarak antara celah dengan posisi sensor sepanjang sumbu x dan yang kedua adalah besar intensitas cahaya dari laser, hasil difraksi yang melintang sepanjang sumbu y.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengambilan data dilakukan dengan mengambil contoh data dari kisi difraksi dengan lebar celah 100 celah/mm, 300 celah/mm, dan 600 celah/mm. Untuk mendapatkan variasi data, pengambilan dilakukan dengan menggunakan jarak yang berbeda-beda. Adapun untuk mendapatkan nilai distribusi intensitas, dilakukan pengambilan data tiap 1 cm. Data tersebut merupakan hasil difraksi cahaya yang keluar dari kisi difraksi.

a. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100 celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor = 17 cm.

Gambar 9 Grafik pola distribusi intensitas cahaya dengan jarak = 17 cm dari kisi

Dengan jarak antara kisi dengan sensor makin telihat jelas pola distribusi intensitas cahaya nya. Terlihat titik pada m = 0, dan m = 1, yang menunjukan perbedaan besar intensitas cahaya nya.

b. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100 celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor = 19 cm.

Dari grafik distribusi intensitas cahaya yang telihat pada ploting Labview seperti satu titik yang berdekatan. Tetapi terlihat nilai intensitas yang berbeda dengan jarak sebelumnya. Intensitas cahaya nya lebih kecil, sehingga pola intensitas nya seperti merata pada beberapa titik tertentu jarak tertentu. Dapat diakibatkan juga oleh pengambilan data yang dilakukan oleh sensor, sehingga intensitas maksimum nya tidak terlihat pada gambar.

Gambar 10 Grafik pola distribusi intensitas cahaya dengan x = 19 cm

c. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100 celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor = 21 cm.

Sebagian besar pola distribusi intensitas cahaya yang telihat pada ploting Labview telihat seperti satu titik yang berdekatan. Tetapi dengan intensitas cahaya nya yang relatif sama.

Gambar 11 Grafik pola distribusi intensitas cahaya dengan x = 21 cm dari kisi

(4)

d. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100 celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor = 23 cm.

Dengan jarak yang makin menjauh antara kisi dengan sensor terlihat bahwa jarak tiap pengambilan data sangat berperan dalam penelitian ini. Makin jauh jarak pengambilan datanya makin tidak terlihat pola intensitas cahaya yang dihasilkan difraksi dari kisi.

Gambar 13 Grafik pola distribusi intensitas cahaya

dengan x = 23 cm dari kisi

Dari data terlihat dari labview, didapatkan juga data yang lebih lengkap untuk tiap pengambilan data beserta nilai intensitas cahaya nya.

a. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100 mm/celah.

Gambar 14 Grafik hubungan jarak dengan intensitas cahaya pada jarak 23 cm dari kisi

Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas cahaya pada jarak 23 cm dari layar. Grafik tersebut menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada

jarak 14 cm dan 18, dengan besar intensitas sebesar 3 Lux.

b. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100 mm/celah

Gambar 15 Grafik hubungan jarak dengan intensitas

cahaya pada jarak 23 cm dari kisi

Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas cahaya pada jarak 23 cm dari layar. Grafik tersebut menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada jarak 16 cm, dengan besar intensitas sebesar 16 Lux. c. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100

mm/celah

Gambar 16 Grafik hubungan jarak dengan intensitas

cahaya pada jarak 21 cm dari kisi

Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas cahaya pada jarak 22 cm dari layar. Grafik tersebut 0 1 2 3 4 0 10 20 30 Inte nsitas (Lux ) Jarak (cm)

Graﬁk hubungan

antara jarak terhadap

intensitas cahaya

Series1 0 2 4 6 0 10 20 30 Inte nsitas (Lux ) Jarak (cm)

Graﬁk hubungan

antara jarak terhadap

intensitas cahaya

Series1 0 5 10 15 20 0 10 20 30 Inte nsitas (Lux ) Jarak (cm)

Graﬁk hubungan

antara jarak terhadap

intensitas cahaya

(5)

menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada jarak 17 cm, dengan besar intensitas sebesar 4 Lux. Hasil distribusi intensitas menunjukkan bahwa intensitas maksimum terdapat pada jarak 17-23 cm dari sumbu Y, atau bisa dikatakan ditengah sumbu tersebut. Perbedaan intensitas menunjukkan bahwa perbedaan titik pengambilan data yang berbeda. Pengambilan data yang dilakukan tiap 1 cm, dapat mengakibatkan intensitas maksimum tidak terukur dengan sempurna. Cahaya laser yang dihasilkan

menunjukkan pola titik, sehingga intensitas

maksimum didapat apabila cahaya tersebut benar-benar mengenai sensor.

Dari grafik tersebut, dapat dihitung panjang gelombang laser yang digunakan. Perhitungan dapat dilakukan dengan menggunakan rumus :

d sin θ = m λ (1)

dengan :

d = jarak antar celah (m) θ = sudut difraksi m = orde (0,1,2,3,4,5) λ = panjang gelombang (m)

Dikarenakan yang diketahui dari penelitian ini hanya panjang lintasan nya. Persamaan diatas, dapat diganti menjadi

d b/x = m λ (2)

dengan :

b = jarak dari titik pusat ke pola difraksi x = jarak layar ke kisi

Dengan menggunakan variabel tersebut, dapat ditentukan besar λ yang digunakan dalam penelitian ini: Lebar kisi d = 1/N N 100 mm d 0.01 mm d 1.0.E-05 m θ0 5 Lx 17 cm θ1 4 Lx 19 cm Y 29 cm X 21 cm λpercobaan 9.523.E-07 m

Dengan λpercobaan = 9.52381.E-07 m, dapat diketahui

kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m.

Kes. relatif =λpercobaan − λteori

λteori ∗ 100%

Kes. relatif =9.52. E − 07 − 6.5. ! − 7

6,5. ! − 7 ∗ 100%

Kes. relatif = 46.52 %

Untuk lebar kisi = 300 mm/celah didapatkan perhitungan: Lebar kisi d = 1/N N 300 mm d 0.0033333 mm d 3.333.E-06 m θ0 17 Lx 16 cm θ1 2 Lx 22 cm Y 29 cm X 23 cm λpercobaan 8.695.E-07 m

Dengan λpercobaan = 8.69565.E-07 m, dapat diketahui

kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m.

λteori ∗ 100%

Kes. relatif =8.695. E − 07 − 6.5. ! − 7

6,5. ! − 7 ∗ 100%

Untuk lebar kisi = 600 mm/celah didapatkan perhitungan: Lebar kisi d = 1/N N 600 mm d 0.00166667 mm d 1.6667.E-06 m θ0 4 Lx 16 cm θ1 2 Lx 3 cm Y 29 cm X 23 cm λpercobaan 9.420.E-07 m

(6)

Dengan λpercobaan = 8.69565.E-07 m, dapat diketahui kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m.

λteori ∗ 100%

Kes. relatif =9.420. E − 07 − 6.5. ! − 7

6,5. ! − 7 ∗ 100%

Dengan besar kesalahan yang didapatkan dari perhitungan, didapatkan kesalahan yang besar, 33.77 - 44,92 %. Angka tersebut didapat dari perbandingan antara panjang gelombang laser sebesar 6.5E-7. Besarnya kesalahan yang didapatkan disebabkan oleh pengambilan data yang dilakukan dengan mengambil intensitas tiap 1 cm. Intensitas yang akan terukur tidak menunjukkan titik sesungguhnya dari hasil difraksi cahaya tersebut.

4. KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :

• Untuk lebar kisi = 100 mm/celah, distribusi intensitas maksimum yang dihasilkan berkisar antara 3-11 Lux.

• Untuk lebar kisi = 300 mm/celah, distribusi intensitas maksimum yang dihasilkan berkisar antara 3-51 Lux.

• Untuk lebar kisi = 600 mm/celah, distribusi intensitas yang dihasilkan berkisar antara 3-13 Lux. Untuk pengambilan contoh perhitungan distribusi intensitas cahaya, didapatkan:

• Untuk lebar kisi = 100 mm/celah, panjang gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan = 9.52381.E-07, dengan besar kesalahan relatif sebesar = 46.52 %.

• Untuk lebar kisi = 300 mm/celah, panjang gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan = 9.52381.E-07, dengan besar kesalahan relatif sebesar = 33.77 %.

• Untuk lebar kisi = 600 mm/celah, panjang gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan

= 9.42029.E-07, dengan besar kesalahan relatif sebesar = 44.92 %.

DAFTAR ACUAN

[1]Beiser, Arthur. Konsep Fisika Modern (Houw Liong, Penerjemah), 3rd Edition. Jakarta: Erlangga. [2]Jenkins, Francis A. & White, Harvey E.

Fundamental Of Optics.1981. New York: Mc Graw-Hill Book Company.

[3]Sarojo, Ganijanti Aby.Gelombang dan Optika.2011. Jakarta:Salemba Teknika.

[4] Tipler, Paul A. Fisika untuk Sains dan Teknik (Bambang Soegijono, Penerjemah). 3rd Edition, Cetakan 1. Jakarta: Erlangga.

[5]http://staff.ui.ac.id/internal/040603019/material/D CMotorPaperandQA.pdf [18 Juni 2012, pukul 10.45 WIB ]

[6]http://digilib.petra.ac.id [19 September 2012, pukul 19.40 WIB)

[7]http://www.scribd.com/doc/95731167/Rotary-Encoder ( 12 Agustus 2012, pukul 15.50 WIB.) [8]http://konversi.wordpress.com/2009/06/12/sekilas-rotary-encoder/ [9] http://fahmizaleeits.wordpress.com [10]http://www.hvwtech.com/products_view.asp?Pro ductID=343 [11]http://lab.binus.ac.id/pk/fileforum/sensortranduser [12] Rachmanto, Arif. Skripsi. Sistem Pengukur Panjang Fokus Lensa Cekung Berbasis

Mikrokontroler.Depok: Perpustakaan Fisika UI. [13]Asmoro, Vani Ardi. Skripsi. Sistem Detektor Pola Cincin Difraksi Untuk Menentukan Diameter Celah Sirkular Berbasis Mikrokontroler. Depok:

Perpustakaan Fisika UI.

[14] Iskandar, Nur Ilham. Skripsi. Alat Ukur Panjang Gelombang Cahaya Tampak dengan Metode Kisi Difraksi. Depok: Perpustakaan Fisika UI.