177
Analisa Rugi-Rugi Serat Optik Sebagai Potensi
Aplikasi Sensor Weigh In Motion (WIM) Lima Lekukan
Deajeng Wulandari, Mohtar Yunianto, Hery Purwanto
Laboratorium Optik dan Photonik Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami No 36A Surakarta
Email: deajenkwulan@gmail.com
Diterima (15 Juli 2013), direvisi (29 Juli 2013)
Abstract. Fiber optic loss yielded from macrobending with fivebending model prototype. The
purpose this study is to determine the influence of scratches variation toward the loss as a potential Weigh In Motion (WIM) sensor applications to plastic optical fiber (POF) diameter 0,5mm.. Pressure influence toward POF loss done up to 2 mm shift. LED, as light source, transmits the light through the fiber and received by LDR as detector. The output is voltage displayed on the computer. Pressure caused by a shift made the fiber is depressed and formed fivebending so that the loss is greater. Two scratch, three scratch, without a scratch have applied. The study result show that the more scratches, the loss was greater . Every the loss value caused by giving certain mass. The highest sensitivity when three scratches was applied which has correlation coefficient R2 0,99744 with gradient 1,2264 so this model have has the potential in Weigh In Motion (WIM) sensor applications.
Keyword: POF, scratches, five bending, WIM
Abstrak. Rugi-rugi serat optik dihasilkan dari lekukan makro menggunakan prototype model lima
lekukan. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi goresan terhadap rugi-rugi sebagai potensi aplikasi sensor beban bergerak atau Weigh In Motion (WIM) pada serat optik plastik (POF) diameter 0,5 mm. Pengaruh penekanan terhadap rugi-rugi pada POF dilakukan hingga pergeseran 2 mm. LED sebagai sumber cahaya mentransmisikan cahayanya melalui serat POF dan diterima oleh LDR sebagai detektor. Hasil keluaran berupa tegangan listrik yang ditampilkan pada komputer. Penekanan yang disebabkan pergeseran membuat serat POF tertekan dan membentuk lima lekukan sehingga rugi-rugi serat semakin besar. Perlakuan goresan yang diberikan antara lain tanpa gores, 2 goresan dan 3 goresan. Hasil dari penelitiani ini menunjukkan semakin banyak goresan, rugi-rugi serat yang dihasilkan semakin besar. Setiap nilai rugi-rugi disebabkan oleh pemberian massa beban tertentu. Variasi yang sensitifitasnya paling besar adalah perlakuan 3 goresan yang mempunyai koefesien korelasi R2 0,99744 dengan gradien 1,2264
sehingga dapat disimpulkan model yang dibuat berpotensi untuk diaplikasikan dalam sensor WIM.
Kata kunci: POF, goresan, lima lekukan, WIM
PENDAHULUAN
Serat optik merupakan pandu gelombang yang memilki kemampuan
dalam mentransmisikan cahaya dari sumber cahaya menuju penerima. Serat optik plastik atau dikenal dengan Plastic
Optical Fiber (POF) memiliki sifat
fleksibel dibanding serat optik kaca
--- *Coresponding author:
178
sehingga lebih mudah dan cepat dalam pemasangannya. Selain itu, diameter inti yang besar membuat POF ini dapat digunakan dengan sumber cahaya LED yakni komponen elektronika yang relatif murah dibanding laser (Woodward, dkk., 2005). Oleh karena kemampuannya ini, banyak peneliti yang mengembangkan serat optik sebagai sensor. POF hanya dapat digunakan untuk transmisi jarak pendek (< 100 m) karena rugi-rugi sinyal optik yang sangat besar (Keiser, 1991).
Kemampuan serat optik sebagai media transmisi ini dapat membuat gelombang cahaya yang dihasilkan pada ujung serat optik berkurang dari daya awal sebelum melewati serat optik yang dikenal sebagai rugi-rugi. Gangguan dari luar maupun dari dalam serat optik itu bisa menjadi penyebab dari rugi-rugi serat optik (Freeman, 1999). Salah satu gangguan dari luar adalah rugi-rugi akibat lekukan. Macrobending atau lekukan makro adalah pelekukan serat optik dengan radius yang lebih besar dibandingkan dengan radius serat optik (PT. Telkom, 2004), seperti Gambar 1. Sensor berbasis serat optik memanfaatkan faktor rugi-rugi dalam penerapannya. Salah satu aplikasi yang menggunakan faktor tersebut adalah Weigh In Motion (WIM) (Malla, dkk., 2008).
Gambar 1. Macrobending pada Serat Optik
(Martins, dkk, 2006)
WIM merupakan metode untuk menentukan beban kendaraan yang bermuatan seperti truk dengan melakukan pengukuran pada beban roda ketika kendaraan dalam keadaan bergerak. Keuntungan pengukuran saat kendaraan bergerak adalah efesiensi waktu bagi pemilik kendaraan dan lebih aman bagi operator ketika jalanan dalam waktu-waktu sibuk (Malla, dkk., 2008). Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi
kemampuan sistem WIM dalam
pengukuran massa kendaraan ketika bergerak, salah satunya dalam pemilihan komponen sensor massa (Slupek, 2000).
Perlakuan tekanan pada serat optik menggunakan prinsip WIM menyebabkan lekukan pada serat optik. Akibatnya, sensor akan mengalami perubahan intensitas yang bersumber dari LED dalam tempo waktu tertentu yang dinyatakan sebagai fungsi rugi-rugi daya optis akibat beban kendaraan (Safaai, dkk., 1990).
Prinsip sistem WIM ini telah dilakukan oleh Ramesh B. Malla, dkk. (2008) menggunakan model tiga lekukan. Pengujian terhadap alat ini telah dilakukan yang hasilnya menunjukkan penurunan intensitas terhadap peningkatan tekanan yang diberikan. Serat optik yang digunakan adalah dual core sepanjang 36,9 m menggunakan laser sebagai sumber cahaya dan photodetector sebagai
receiver. Hasilnya ditampilkan dalam oscilloscope berupa sinyal listrik.
Total Internal Reflection atau pemantulan internal sempurna merupakan keadaan saat cahaya datang akan dipantulkan seluruhnya oleh suatu bidang batas menuju medium yang sama dengan medium cahaya datang. Cahaya datang dapat merambat di dalam serat optik dengan syarat sudut datang harus kurang dari sudut kritis (θ1 < θc), yaitu 900 (θ1 =
θc) (Keiser, 1991) seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.
179
Gambar 2. Perambatan Sinar Dalam Serat
Optik (Keiser, 1991)
Pada umumnya Sistem serat optik terdiri dari tiga bagian utama yaitu sumber cahaya, serat optik dan detektor cahaya (Lacy, 1982). Kelebihan serat optik sebagai sensor ini karena tahan terhadap interferensi elektromagnetik, sensitifitas-nya tinggi, dan tahan terhadap lingkungan yang buruk. Kemampuan sensor serat optik ini mampu menggeser sensor tradisional untuk percepatan pengukuran medan magnet dan medan listrik, suhu, tekanan, akustik, getaran dan lain-lain (Yu, dkk,. 2002).
Hukum hooke menyatakan jika suatu gaya diberikan pada pegas maka pegas akan mengalami pertambahan panjang sejauh dan jika gaya tersebut dihilangkan maka pegas akan kembali ke keadaan semula yang dikenal dengan gaya pemulih. Gaya pemulih ini dikarenakan pegas memilki elastisitas yang tergantung pada nilai konstanta pegas dimana gaya ini berlawanan dengan arah gerak pegas sehingga bertanda negatif. Hukum Hooke dinyatakan pada persamaan 1.
⃑ ⃑⃑⃑⃑⃑ (1)
METODE PENELITIAN
Penelitian ini meggunakan metode
lima lekukan makro dengan
memanfaatkan rugi-rugi optis. Metode ini merupakan perlakuan lekukan pada serat
optik yang disebabkan adanya 5 pin sehingga terbentuk lima lekukan. Serat optik yang digunakan berjenis POF diameter 0,5 mm. Serat optik diletakkan diantara pin-pin yang memiliki diameter lingkaran 0,8 cm. Model lima lekukan berupa prototype yang terbuat dari acrylic, seperti Gambar 3.
Pin bagian bawah berjumlah tiga buah yang bersifat statis sedangkan pin bagian atas berjumlah dua buah yang bersifat dinamis. Pin bagian atas ini yang terdorong oleh penekanan sehingga menghimpit serat optik. Pegas berfungsi sebagai pemberi gaya pemulih setelah serat optik tidak diberi tekanan sehingga dapat kembali ke posisi semula. Selain itu, pegas juga berlaku sebagai penahan saat serat optik diberi tekanan.
Sumber cahaya yang digunakan adalah LED kemudian ditransmisikan melalui serat optik POF dan diterima oleh detektor. Sensor cahaya LDR sebagai detektor yang sangat sensitif terhadap intensitas cahaya. Gelombang cahaya yang ditangkap oleh LDR diubah menjadi sinyal listrik oleh konverter dan hasilnya ditampilkan pada komputer. Data yang dihasilkan berupa tegangan refrensi dan tegangan hasil dari serat yang diberi perlakuan. Prinsip kerja dari alat ini ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 3. Desain Alat Lekukan, 1. Pegas, 2. Pin,
3. Serat optik POF
2 3 1 θ1= θc n2 n1
180
Sebelum diberi perlakuan tekanan pada alat lima lekukan, serat optik POF diberi perlakuan goresan. Pemberian goresan ini agar rugi-rugi optis yang dihasilkan semakin besar sehingga sensitivitas dari sensor juga semakin besar. Jika alat lekukan diberi penekanan maka serat optik akan semakin tertekan. Serat optik yang tertekan membentuk lima lekukan makro menyebabkan intensitas cahaya yang ditransmisikan serat berkurang. Intensitas yang diterima detektor tidak sama dengan intensitas awal sebelum ditekan, dengan membandingkan intensitas refrensi yang ditansmisikan pada serat tanpa pemberian penekanan. Penekanan ini dilakukan oleh mikrometer sekrup yang juga bisa mengukur sejauh mana pergeseran dilakukan.
Setiap pergeseran oleh mikrometer sekrup ini mengindikasikan sebagai nilai massa beban yang diberikan pada alat lekukan. Besar massa beban yang diberikan tergantung pada nilai konstanta pegas yang dipasang secara paralel sebanyak 4 buah pada pojok-pojok alat. Konstanta pegas diperoleh berdasarkan hukum hooke pada persamaan 2.
Penurunan intensitas yang diterima detektor diubah menjadi penurunan
tegangan. Penurunan tegangan ini menandakan rugi-rugi yang semakin besar. Dalam penelitian ini, setiap besar rugi-rugi yang diperoleh dibandingkan terhadap variasi jumlah goresan. Nilai rugi-rugi yang dihasilkan diperoleh dari perhitungan menggunakan persamaan 2.
(
) (2)
Tegangan masukan ( merupakan tegangan yang ditransmisikan ke dalam serat optik tanpa perlakuan apapun sedangkan tegangan keluar ( adalah tegangan yang ditransmisikan ke dalam serat optik dengan pemberian perlakuan pada serat.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sensor serat optik pada penelitian ini berdasarkan perubahan intensitas cahaya yang ditransmisikan melalui serat optik. Perubahan intensitas yang diakibatkan oleh penekanan pada serat yaitu terjadi penurunan intensitas dengan semakin bertambahnya penekanan menggunakan alat lekukan yang ditunjukkan pada Gambar 5. Pengukuran rugi-rugi akibat lima lekukan dilakukan dengan pengaruh varisai tanpa gores, 2 gores dan 3 gores. Setiap pengambilan data dilakukan perulangan sebanyak tiga kali untuk membuktikan tren setiap pengambilan data hampir sama.
7 4 3 6 5 4
Gambar 4. Desain Alat yang Digunakan untuk
Lima Lekukan, 1. Sumber Cahaya (LED), 2. Detektor, 3. PC, 4. Serat optik POF, 5. Mikrometer Skrup, 6. Sensor macrobending, 7. Pegas, 8. Konverter
1
2
2
8
181 Penelitian ini menghasilkan rugi-rugi
serat POF terhadap pergeseran oleh mikrometer sekrup hingga 2 mm yang ditunjukkan pada Gambar 6. Setiap data memiliki koefesien korelasi R2 sebesar 0,9. Pegas pada alat lekukan sangat berpengaruh terhadap hasil karena besar konstanta pegas menunjukkan seberapa elastis pegas jika diberi tekanan.
Tabel 1. Gradien pada POF 0,5 mm
Jumlah gores Data ke- 1 2 3 Tanpa gores 0,90374 0,82324 0,85872 2 gores 1,02593 1,0939 1,01086 3 gores 1,22649 1,24751 1,2549
Pengambilan data diawali ketika belum terdapat lekukan atau pergeseran, kemudian dimulai pergeseran 0,05 mm dan kelipatannya. Setiap data masing-masing memiliki nilai gradien yang berbeda-beda. Dari nilai gradien ini menunjukkan semakin banyak jumlah goresan yang diberikan maka semakin besar nilai gradien yang dihasilkan, seperti
Tabel 1. Hal ini menandakan bahwa
rugi-rugi yang dihasilkan semakin besar. Jarak antar goresan untuk 2 gores adalah 3 cm dan jarak antar goresan untuk 3 gores adalah 1,5 cm. Setiap perulangan data untuk setiap variasi diambil satu data terbaik dan diplotkan kedalam grafik hubungan antara pergeseran dengan rugi-rugi, yang dijelaskan pada Gambar 7 dan nilai gradien masing-masing grafik ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Gradien dari setiap perlakuan pada
diameter POF 0,5 mm
a
b
Gambar 6. Grafik hubungan pergeseran terhadap
rugi-rugi dengan perlakuan, a. Tanpa gores, b. 2 gores, c. 3 gores
c
Gambar 7. Grafik hubungan pergeseran terhadap
182
Jumlah gores Data ke - Gradien
Tanpa gores 1 0,9037
2 gores 1 1,0259
3 gores 1 1,2264
Rugi-rugi sebagai variabel terikat yang nilainya tergantung dari pergeseran yang berlaku sebagai variabel bebas. Gradien yang dihasilkan dari grafik
Gambar 7 menunjukkan sensitifitas
sensor dalam potensinya sebagai sensor WIM. Nilai sensitifitas ini mengindikasikan kepekaan sensor terhadap model lima lekukan dengan variasi yang digunakan. Semakin banyak jumlah goresan dan semakin besar penekanan pada serat mengakibatkan cahaya yang sedang ditransmisikan keluar melalui celah gores. Selain itu, lekukan makro model lima lekukan turut berkontribusi dalam keluarnya cahaya dari inti POF. Gambar 7 menggunakan data terbaik dari Gambar 6 yaitu data ke-1 untuk tanpa gores, 2 gores dan 3 gores. Nilai gradien tersebut digunakan untuk mencari nilai konstanta pegas menggunakan persamaan 1. Nilai konstanta pegas ini digunakan untuk menentukan nilai massa yang diberikan pada alat lekukan.
Gambar 8. Grafik hubungan rugi-rugi terhadap
massa
Perubahan panjang pegas dipengaruhi oleh pergeseran sehingga diperoleh nilai
massa dari pergeseran tersebut menggunakan nilai konstanta pegas. Pergeseran oleh mikrometer sekrup tersebut diubah menjadi nilai massa terhadap rugi-rugi. Gambar 8
menjelaskan bahwa setiap perubahan rugi-rugi diakibatkan oleh penambahan massa tertentu pada alat lekukan.
KESIMPULAN
Penelitian ini mengenai rugi-rugi serat optik sebagai potensi aplikasi sensor WIM lima lekukan. Variasi penekanan dan goresan dapat menghasilkan rugi-rugi pada serat optik POF diameter 0,5 mm. Hasil perulangan setiap pengambilan data menunjukkan bahwa repeatibility sensor yang baik. Perlakuan goresan yang diberikan adalah tanpa gores, 2 gores dan 3 gores. Semakin banyak goresan maka semakin besar pula rugi-rugi yang dihasilkan. Setiap nilai rugi-rugi diperoleh dari pemberian massa beban tertentu. Sensitifitas terbesar dari ketiga variasi dimilki oleh serat optik dengan perlakuan 3 gores, artinya sensor dengan sensitifitas yang tinggi jika POF diberi 3 goresan. Sensitifitas ini dilihat dari koefesien korelasi R2 yaitu 0,99744 dengan gradien 1,2264. Hal ini menunjukkan bahwa parameter yang digunakan berpotensi untuk diaplikasikan dalam sensor WIM model lima lekukan.
DAFTAR PUSTAKA
Freeman, Roger L. (1999). Fundamentals
of Telecommunications. ISBNs:
0-471-22416-2 (Electronic), 0-471-29699-6 (Hardback): John Wiley & Sons, Inc. Northeastern University
Lacy. (1982). Fiber Optics. Prentice-Hall. Englewood Cliffs, New Jersey
183 Keiser, Gred. (1991). Optical Fiber
Communications 2nd Ed. McGraw-Hill, Inc.
Malla, R. B., Sen A., and Garrick, N. M. (2008). A Special Fiber Optic Sensor for Measuring Wheel Loads of Vehicles on Highways. Sensors, Vol 8, hal 2551-2568, ISSN 1424-8220.
Martins, A., Rocha, A.M., Neto, B., Teixeira, A.L.J., Facao, M., Nogueira, R.N., Lima M.J., and Andre, P. S. (2006).
Modeling of Bend Losses in Single-Mode Optical Fibers. FCT through FEFOF
(PTDC/EEA-TEL/72025/2006) project.
PT. Telkom. (2004). Dasar Sistem
Komunikasi Optik, Optical Access Network versi 1.0. PL-1.1: PT Telekeomunikasi Indonesia, tbk. Bandung
Safaai, A., Ardekani, S. A., and Mehdikhani, M. (1990). A Low Cost Fiber
Optik Weigh In Motion Sensor. Strategi
Highway Research Program, National Research Council. Washington DC
Slupek, Rose. (2000). Weigh In Motion
Technology: Austroads Inc. Australia
Woodward, Bill dan Husson, Emile B. (2005). Fiber Optics Installer and
Technician Guide. SYBEX inc.
Yu, Francis T. S and Yin, Shizhuo. (2002).
Fiber Optic Sensor. Marcel Dekker, Inc.
