Evaluasi Peraneangan Sensor Fiber Optik Plastik untuk Pengukuran Stress dan Strain

JURNAL FIsIKA DAN APLIKASINYA VOLUME 3, NOMOI. 2 JUNI 2001

Evaluasi Peraneangan Sensor Fiber Optik Plastik

untuk Pengukuran Stress dan Strain

Em Sugiarti,. Resetiana

Dwi Desiati, Prabowo

Pmanto,

Edi

Tri

Astuti, dan

Tomi

Budi

Waluyo

Pusat Penelitian Jiisika -LIP]

Komplek Pusplptek Serpong - Tangerang JjJJ4. IntIones/a

Intisarl

Sensor SIrain digunakan untuk mengukur perubahan sIraln akibat stmss pada suato bahan. Dalam penelitian

ini.

telsh dimm:ang sensor stmin menggunakan fiber optik dati baban dielektris plastik dengan teknik pencil-adaD. TeImik yang dipakai adaIah untuk melibat pembahan inteJlsibi$ wbaya yang terdcteksi sebagai akibatdari stress yang

diterima fiber optik. Pengamatan dalam penmcangan sensorfiber optik menggunakan PC mikroskop

sebingga struktur permulman fiber yang kecil dan balus dapat terlihat. Untuk mengeIahui besaran strain aki-bat stress yang terukur

dibutuhkan

sumber cahaya

laser.

fu1odetektor, mngkahm amplifiet; modul akuisisi data (DAQ) dan PC. Ewluasi basil penmamgan sensor djlakukan dengan

lUi

tarik (tensUe) fiber optikyang dile-tak:kan pada spesimen menggunalmn mesin universaI tensUe meter (UTM).

KATA KUNCl: sensor stmiD, fiber optik. streaa, UTM. L PENDAHULUAN

Perkembangan fiber

optik:

yang

pesat

menyebabkan

apU-kasi fiber

optik

saat

ini

tidak.

banyadirnanfiudlran sebagai

me-dia tnmsmisi tetapi juga

sebagai

sensor.

Sensor

strain

dan

stress tnengguna1can fiber optik

memjhld

keIebiban

diban-diogkan dengan sensor lain karena fiber

optik itu

sendiri

ung-gul

daJam

ukuran yang keeil,

taban terhadap

interferensi

elek-tromagnetik: dan

radiasi cahaya

serta

tidak tcrpengaruh

pada

sif4t

baban sehingga dapat

dilekatkan

dengan

bahan komposit

seaua

non-obstrusive (tanpa desakan) [1].

Berbagai

sistem sensor fiber optik

untuk

mengukur

strain

dan

stress teIah

banyak

dikembangkan.

Sistem

sensor

tersebut

ada1ah sensor FBG

(Fibre Bragg Grating)

[2] yang prinsip-nya ada1ah mengukur perubaban

intensitas

sinyal

optik: yang

direfleksikan

sebagai fimgsi dati perubaban

panjang

gelom-bang dan

strain

pada fiber optik, sensor FPI

(Fabry Perot

in-terferometer) [3] berdasarkan multi refteksi £ably

perot

yang

berinterfe.rens

sensor ESPC

(embedded sensor protection

system)[4]

yang

mengukur

perubahan

strain

dan

strain akibat

peiubaban

struktur

yang

terdeteksi serta

masih banyak lagi.

Semua

sistem

tersebut tentunya memiliki kelebihan dan

keku-rangan

masing-masing~

Terdapat perbedaan

embedded

fiber

optic

sensor

lainnya

dengan.

sistem yang

akan dinmcang.

Sistem sensor

ini

lebih

sederhana karena tidak

membotubkan tekn:ik

demodulasi

un-tuk mengolah sinyal

dengan menggunakan spektrum

optik:

ana1iaeJ;

melainkan

hanya membotubkan

pemJatan

aeperti transmitter dan receiver

yang

daIam

hal ini adalah

laser

Re-Ne dan fotodioda.

Dengan keungguJan karakteristik fiber optik maka ada

•. akan

P

paper lID

dibabas .

mengenai

rancangan

sensor

strain

-.E-MAIL: enis002@lipi.go.id

dan stress

menggunakan fiber optik

plastik.

Plastic·

Opti-cal

FIber

(POP) menjadi altematif selain

Gloss Fiber

Optic

(GOp)

yang dapat

mengurangi transmisi sinyal

yang hiJang dan

hanya

mengand

aJkan

modulasi

intensitas cabaya sebagai

sensor

yang

akan.

mendapat

perlakuan

seperti tarikan

(tensile)~

0. DASAR TEORI

Fiber optik: mempakan

pemandu

gelombang (waveguide)

dati baban

dielektris (gelas

dan

plastik) yang

menIIans-nrisilam

cahaya.

BerdasarJmO

hokum Snellius untuk tmnsmisi

optik:

bahwa

cabaya

yang

dipantuJkan akan

mengalanri.pem-bengkokan

diantam

2

media,

dalam hal ini adalah

core

fmti dan

clatJding

lpelindung dati fiber optik. Masing-masing me-dia

teIsebut memiliki

index

refmktif

(0).

Jib

sudut yang ter-bentuk

lebih

besar dati

sudut

kritis,

maka terjadirefteksi

total dan tidak ada cahaya

yang

masuk

ke medium

lain

seperti

ter-Jihat

pada

Gambar 1a.

SOOangInm

jib

pada

medium teJ:dapat

celah (Gambar Ib) maka sebagian berkas

c:ahaya

akan hiJang keluar sebingga akan mengmangi

dayanya

sesuai dengan

per-samaan·

Power(dB)

=10 LoglO

Pout

(1)

Pin

Kemampuan

fiber untuk

menbansfer cabaya

dittnYukkan

oleh persamaan

Numerical

.Apt:u1un1

(NA) yang dapat

ditu-liskan sebagai

berikut:

(2)

Namun

untuk

fiber yang

diberi

perlakuan.

seperti

pem-bengkokan

berIak:u persamaan NA

yang

berbeda yaitu:

1. Fls. DAN ApL., VOL. 3, No.2, JUNl 2007 (8) lUlU .. ) ... dllnkat ,~_--,J...

____ _

,

(b)

Gambar 1: (a). Berkascahaya pada kondisi FO nonnaI (lurus dan tidak dilukai),(b). Berkas cabaya pada kondisi FO dilukai

dengan nl

=

indeks refraktif inti fiber,

02

=

indeks reftaktif

pelindung fiber,

R =

Radius pembengkokan, a

=

Radius fiber.

. Untuk mengetahui

besamya

perubahan.

strain

akibat

stress

..

~.

Dlaka

fiber optik diberi perlalruan dengan uji

tank.

Persamaan

/ untuk

stress

dan

strain

yang berlaku

saat

objek di tarik

(ten-sile)

adalah

berdasarkan

deformasi yang dialami suatu benda

yang mengalami gaya.

Strain, 10,

adaIah

besar

deformasi

per-~.panjang,

,.

Il.L

1 0 =

-L (4)

sedangkan stress (S)

adaIah gaya persatuan'luas,

S=F

A

(5)

Strain.

awat

akan

berbanding lurus dengan

besamya· stress.

Namun setelah

stress

ditiadakan,

strain akan

bilang.

Kon-disi

seperti

ini

dinamakan kondisi batik (reversible). Strain

li-nier yang mampu batik tersebut disebut dengan

strain

elastik.

Untuk

strain

elastik: berlaku

persamaan

modulus

elastik atau

modulus Young, E, dengan persamaan:

S

E=-10 (6)

K.ekuatan.

tarik (tensile strength) suatu bahan ditetapkan

dengan membagi gaya

maksimum

dengan luas penampang

semula. Dengan demik:ian dimensi kekuatan tarik akan sarna

dengan besaran

stress

dari Pers.5.

m ..

METODOLOGI PENELITIAN

Dalam

perancangan

sensor

strain dan stress

menggu-nakan fiber optik digumenggu-nakan beberapa metode untuk

memban-dingkan

respon

perubahan. intensitas

cahaya

akibat

stress

yang

diterima fiber

optik.

ENI SUOIARTI, dirk.

Durall, ...

diIu1raj

~

I-I

1

(8)

Daenh Yan;

ailuW

f~

["'--~d

(b)

Gambar 2: (a). Fiber Optik cacat tunggaJ, (b).Fiber Optik ClK:Ilt

banyak

A. . Metoda·Perancangan Sensor

Sensor

strain dan stress

mengguoaka;n fiber optik plastik

(POF) sepanjang ±2

m.. Sensor dira,ncang dengan teknik

pen-cacatan

fiber optik secara tunggal (Gambar 2a) dan banyak

(multi point) pada

Gambar

2b yang masing-masing dilaJmkan

ditengah POF sepanjang

±2 em.

Pengamatan

dalam

per-ancangan sensor- fiber optik menggunakan alat bantu PC

mikroskop sehingga struktur permukaan fiber yang keeil dan

balus dapat terlihat (Gambar 3). .

B. Metoda Preparasi Sensor stmJn daD Benda Uji

Sebelwn melakukan pengambilan

data.

batang sensor fiber

optik:

diletaldcan

pada benda uji paduan

a1wniniwn tipe

ASOS2P. Pelat alwninium

ini

dipotong menmut

dengan

uku-ran yang disesuaikan

dengan

kemampuan

load cell

dari mesin

uji tarik UTM. Secara diagramatik bentuk: benda uji adaIah

seperti Gambar 4.

Teknik meletakkan sensor fiber optik pada benda uji

di-Iakukan

dengan memposisikan bentuk penampang geometri

fiber bait secara lurus (Gambar 5a),lengkung ke dalam

(Gam-bar

Sb) dan lenglrung Ire

luar (Gambar 5c). Sensor direkatkan

pada benda uji menggunakan lem

cyanoacrylate.

Agar proses

pengambilan

data

tidak terganggu maim

tidak: seluruh

per-mukaan

benda uji direkatkan fiber optik.

lIustrasi

penem-patannya akan ditunjukan pada Gambar 6.

C. Metoda peogambDau data

Dalam

pengambilan

data.

sensor fiber optik membutuhkan

sumber cahaya laser yaitu laser He-Ne dengan A

=

632,5

om.

J.F's. DAN APL., VOL. 3, No.2, JUNI 2007 ENI SUGJARTI. dick

(a) (b) (c) (d)

Gambar 3: (a). Pengecekan penampang irisan fiber yang telah dicacat tanpa diberi swnber laser., (b). Pengccekan pes:mmpang irisan fiber yang tclah dicacat dengan swnber laser, (c). Pengecekan penampang ujung fiber tanpa diberi sumber laser., (d). Pengecek8D penampang qjung fiber dengan sumber laser. \"

IUDmm (a)

(b)

Gambar 4: Polongan benda uji yang digunakan pada eksperioJen

sen-somber optik.

fotodetektor, rangkaian instrumentasi amplifier, modul akui-sisi data (DAQ) dengan resolusi 12 bit dan PC seperti pada Gambar 7. Evaluasi sistem sensor secara keseluruhan di-lakukan dengan uji tarik (tensile) fiber optik yang diletakkan pada benda uji menggunakan mesin uji tarik (UTM).

Berkas sinar laserdifolruskan dengan Iensa folrus sehingga input yang diberikan laser tepat pada posisi inti fiber. Peruba-han intensitas cahayadikonversikan dengan rangkaian fotode-tektor menjadi sinyailistrik. Output yang dihasilkan pada sis-tern sensor fiberoptik diperkuat dengan rangkaian

instrumen-tasi

amplifier. Untuk mempermudah proses pengambilan data

dan agar basil

yang

diperoleh secara real time dapat dimonitor . oleh

PC

serta data tersebut dapat disimpan ke database maka diperlukan suatu modul akuisisii data dan perangkat looak 00-tuk meltlbuat visualisasi sistem yang dibangun tersebut.

Daerah yang dlIukal

(a)

(b)

(c)

Gambar 5: (a). Penampang geOmetri fiber lurus,(b). Penampang geometri fiber lengkung Ire dalam,(c). Penampang geometri fiber lengkung ke luar.

IV. BASIL DAN DlSKUSI

Analisa ootuk: mengetahui respon posisi geometri sen· sor fiber optik pada benda uji terhadap strain dan stress telah dilakukan secara manual dengan membengkokan·fiber

yang

telah dicacatL Dari Gambar 8 dapat diketahui bahwa saat fiber dibengkokan ke dalam sensitivitas sensor terhac1ap stress dan strain lebih besar dibandingkan saat fiber·tersebUt dibengkokan ke luai atau lwus. Hal

ini

ditunjukkan dengan besamya tegangan yang diperoleh yaitu

uittuk

geometri fiber optik lurns adalah

±

2,5 V, geometri fiber optik lengkung

J. Fls. DAN APL., VOL. 3, No.2, JUNI 2007

Pl"ukat (a)

(b)

. <}ambar 6: (a). Ilustrasi peneIIlpalan sensor fiber optik. pada benda

,., ." tW,

(b). Posisi Fiber Optik lekuk ke daIam yang ditempelkan pada

,\ "'rlYeixla uji

" .~.("-(

1\1 ... UIM

PmonaJ rumputer

Gambar 7: Skema Sistem Sensor Fiber Optik P1astik..

adalah paling kecil yaitu ±

1,4 V. Perbedaan tegangao yang dihasilkan disebabkan oleh perbedaan besamya intensitas ca-haya yang bocor pada keadaan geometri tertentu.

Deugan metode pengujian posisi geometri fiber

optik

maka untuk eksperimen uji 1arik (tensile) dengan UTM, responsi-tas sensor fiber optik terhadap

strain

dan

stress

diambil den-gao melengkungkan fiber ke arab dalam yang diletakkan pada benda uji. Selain geometri fiber, hal lain

y8ng

perlu

diper-ENI SUGIARTI, dkk.

(a)

(b)

(c)

Gambar 8: (a). Geometri fiber Optik. Ll!fUS ,(b).Geometri fiber optik

lengkung ke dalarn.( c). Geometri fiber optik lengkung ke luar.

hatikan adalah

karakteriStik

bahan yang digunakansebagai benda uji yaitu pelat a1uminiwn A5052P. Bahan yang akan diberi perlakuan tentunya mendapat gaya yang besamya akan mempengaruhi defonnasi bahan tersebut Deformasi yang

da-pat terjadi pada bahan adalah defonnasi elastik yaitu defor-masi

linier

dimana bahan dapat kembali ke kondisi sernuIa (ductility) yang ditunjukkan pada daerah elastis (Gambar 9) dan defonnasi 'plastik yang teIjadi pada daerah plastis dimana saat kondisi

ini

bahan sudah patah dan tidak dapat kembaIi ke bentuk semuIa.

Pencatatan data eksperimen dilakukan oleh X-Y

plotter

dati mesin uji tarik, UTM,

daD

PC dengan perangkat lunak yang telah dirancang berbasis modul akuisisi data. Hasil yang terukur oleh X-Y

plotter

pada Gambar 10 merupakan

respon-situs sistem sensQl' fiber optik terhadap perubahan stress dan strain yang terjadi selama benda uji mengalami deformasi elastik.

Pada daerah elastik, bahan tidak akan patah tetapiakan teIjadi perubahan panjang akibat gaya yang diberikan.

Be-J. Frs. DAN APL., VOL. 3, NO.2, JUNI 2007

Gambar9: Contoh kurva strain VS stress dari pelat aluminium AS052P.

Gambar 10: Kurva stress Vs strain Pelat Aluminium A5052P yang

dieatal oleh X-Y plotter UTM.

samya perpanjangan merupakan strain yang terukur, maka berdasarkan Gambar 10 diperoleh strain yaitu sebesar ± 5,3

mm.

Sedangkan stress diketahui dengan korelasi per-bandingan gaya persatuan luas pada mesin

UTM

dengan

X-Y

plotter

UTM

yaitu sebesar ± 5376 N/mm2•

Hasil yang diperoleh pada PC dapat diketahui secara real time dengan sistem sensor fiber optik yang secara kompak

di-rangkaikan ..

Gambar II menunjukkan perubahan strain sen-sor fiber optik yang diuji tarik menggunakan

UTM

dengan selang waktu tertentu. Tegangan yang· diperoleh merupakan strain yang terukur sebagai akibat perubahan intensitas ca-haya yang bocor dari fiber optik. Tegangan mula-mula yang terukur adalah ± 2,65 V dan tegangan akhimya adalah sebe-sar ±. 2,05 V. Dengan demik:ian tetjadi perubahan tegangan sebesa.rO,6 Vatau dengan kata lain terjadi perubahan strain sebesa.r ± 8,8 I'm/mY. Hal ini menunjukkan bahwa selama benda diuji ditarik, sensor fiber optik mengalami penurunan tegangan sebagai akibat intensitas cahaya yang bocor

Makin

bertambah.

[I] Leng Jinsong and Anand Asundi, Sensor and Actuators A 103, 330-340 (2003).

[2) Liu J.G., Schmidt hattenberger, G.Borm, Measurement 32, 151-161 (2002).

[3) Tuck J, Christopher, Richard Haque dan Crispin Doyle,

Mea-surement Science Technology 17, 2206-2212 (2006).

ENI SUGlARTI, dkk.

V. SIMPULAN

Dari pembahasan yang telah diuraikan· maka. evaluasi pc-rancangan sensor fiber optik plastik

untuk

pengukuran stress dan strain dapat ditarik beberapa kesimpulan yaitu :

I. Teknik pencaeatan fiber optik plastik (POF) yang telah diraDcang memiliki sensitivitas terhadap perubahan strain dan stress.

2. Posisi geometri

sensor

fiber optik yang lengkung ke dalam memiliki sensitivitas yang

baik

dibandingkan lengkung ke luar ataupun lur'us saat

sensor

tersebut ditempelkan pada benda yang akan diuji dengan tegan-gan maksimal yang terdeteksi yaitu sebesar ±2,6 V.

3. Metode pengujian dari sistem sensor fiber optik adalah dengan uji tarik menggunakan mesin

UTM

pada benda uji yang telah direkatkan sensor fiber optik.

4. Pencatatan data eksperimen dilakukan oleh X-Y ploner dari mesin uji tarik,

UTM,

dan PC dengan peranglmt lu-nak yang telah dirancang berbasis modul akuisisii data 5. Berdasarkan

X':' Y

plotter

UTM

diketahui bahwa strain

yang diperoleh yaitu sebesa.r ±5,3 ~ sedangkan stresmya adalah ±5376 N/mm2•

6. Hasil yang diketah.ui dari PCadalah perubabante-gangan sebesa.r 0,6 V atau dengan kata lain terjadi pe-rubahan strain sebesar ±8,8 m/mV.

"""""-UPT _ _ _ OptII<

d_aoamelrl KeAnbD ...

Gambar II: Gmfik banyaknya data terbadap tegangan sebagai tespon

uji tarik sensor fiber optik dengan geometri lengkung Ire dalam.

[4) Leng Jinsong, D. Wmter, R A Barnes,G C Mays dan G F Fer-nando, Smart Mater.Struet IS, 302-308 (2006).

[5) K.S.C Kuang, W J Cantwell dan P J Scully, Meas.Sci. Technol. 13, 1523-1534 (2002).