RANCANG BANGUN SENSOR SERAT OPTIK TERDISTRIBUSI
BERBASIS OPTICAL TIME DOMAIN REFLECTOMETER (OTDR)
UNTUK PENDETEKSIAN DINI RETAKAN PADA STRUKTUR
BETON
Jiwa Ginanjar Hadi, Apriani Kusumawardhani
Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111
ABSTRAK
Telah dilakukan perancangan dan pembangunan sensor serat terdistribusi untuk mendeteksi dini retakan pada struktur beton jembatan berbasis Optical Time Domain Reflectometry (OTDR). Tipe dari sensor serat optik terdistribusi adalah tipe intrinsic, dimana serat tidak mengalami modifikasi dengan mengukur perubahan besaran fisis yang terjadi menggunakan OTDR. Percobaan dilakukan dengan menggunakan 2 model benda uji dengan masing-masing model berjumlah.2. Setiap model dibangun dengan kualitas k-175. Setiap model serat yang terpasang mempunyai konfigurasi serat optik yang berbeda, model 1 dengan konfigurasi lingkaran dan model 2 dengan konfigurasi gelombang. Pada konfigurasi lingkaran, setiap kenaikan beban yang dikenakan menyebabkan kenaikan hilang daya serat optik. Benda uji 1 model 1, mengalami kehilangan daya secara linear sampai pada pemberian beban 500 kg, saat pemberian beban diatas 500 kg – 600 kg, terjadi lonjakan hilang daya yang cukup signifikan, mengalami retakan secara kasat mata pada pemberian beban 740 kg, membuktikan bahwa serat optik dengan konfigurasi lingkaran yang tertanam pada beton dapat digunakan sebagai sensor. Hal yang sama terjadi pada benda uji 2 model 1, hanya saja lonjakan mulai terjadi saat pemeberian beban dari mulai dari 600 kg-700 kg. Pada benda uji model 2 dengan serat optik berkonfigurasi gelombang, fenomena yang terjadi adalah sebaliknya, hal ini disebabkan karena saat diberikan beban, serat optik cenderung kembali menjadi lurus, sehingga hilang daya mengalami penurunan dan sampai pada satu titik tertentu mengalami keadaan tetap.
Kata Kunci: sensor terdisribust, serat optik, Optical Time Domain Reflectometry (OTDR), pembebanan, retakan.
1. PENDAHULUAN
Infrastruktur hasil karya teknologi sipil dapat menimbulkan resiko kecelakaan tinggi jika terdapat retakan pada suatu titik yang tidak terdeteksi sedini mungkin. Banyak parameter yang berinteraksi pada suatu infrastruktur, seperti tekanan, beban,
pergeseran, gaya, getaran, regangan dang temperatur, sehingga pemantauan dan pendeteksian retakan pada struktur tersebut menjadi penting dan relevan.
Sensor serat optik yang berdasarkan pada mekanisme bending telah banyak digunakan dengan berbagai konfigurasi. Konfigurasi-konfigurasi tersebut mudah, awet, murah, dapat digunakan secara multiplexing, dan diaplikasikan secara terdistribusi. Untuk mendapatkan informasi lengkap dari sensor seperti ini, optical time domain reflector (OTDR) menjadi instrumen penting untuk disertakan. OTDR digunakan untuk mengukur perubahan intensitas optis yang terjadi pada lokasi yang berbeda sepanjang serat. Dengan mendeteksi
loss dari Rayleigh backscattering light, parameter seperti strain dan pergeseran struktur dapat diukur. 1.1 Permasalahan
Permasalahan dalam tugas akhir ini adalah bagaimana merancang suatu sensor serat optik yang mampu beroperasi sepanjang serat tersebut untuk dapat mendeteksi secara dini retakan pada suatu struktur beton.
1.2 Tujuan
Tujuan dari pelaksanaan tugas akhir ini adalah untuk dapat merancang dan membangun sebuah sensor serat optik terdistribusi yang mampu mendeteksi secara dini retakan pada suatu struktur beton.
2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Serat Optik
Serat optik merupakan salah satu hasil rekayasa teknologi material, berfungsi sebagai media perambatan cahaya yang efektif sehingga cahaya dapat dipandu menuju tempat tujuan. Serat optik terdiri dari beberapa jenis, yaitu serat optik
single mode, serat optik multimode graded index, serat optik multimode step index. Berbagai macam jenis serat optik tersebut mempunyai karakteristik masing-masing yang dapat digunakan untuk aplikasi yang berbeda, pada dasarnya saat ini serat optik banyak digunakan untuk keperluan teknologi komunikasi, jenis serat optik yang banyak digunakan adalaha serat optik berjenis standard single mode step index.
Propagasi sinar pada serat optik mengikuti kaedah hukum snellius. Berdasarakan hukum
snellius tentang pembiasan sinar, sudut kritis diantara perbatasan core dan cladding dinotasikan dalam persamaan berikut [ Kaiser 2000],
...(1) Persamaan Maxwell dapat digunakan untuk mendapatkan persamaan gelombang yang menggambarkan perambatan cahaya dalam serat optik, yaitu sebagai berikut:
...(2) Jika suatu pulsa yang merambat dalam serat optik memilik lebar antara 10 ns hingga 10 ns, maka dispersi dan efek nonlinear akan mempengaruhi bentuk dan spectrum pulsa tersebut. Sehingga perambatan sinar pada serat optik dapat ditunjukan dengan persamaan gelombang berikut,
...(3) 2.2 Optical Time Domain Reflectometer (OTDR)
Optical time domain reflectometer adalah instrumen dengan metode adaptasi dari suatu penentuan karakteristik serat optik sebagai fungsi jarak. Penentuan performansi serat optik ini melalui cara pengiriman pulsa cahaya ke serat optik dan menunggu energi cahaya tersebut dipantulkan kembali.
Sinyal Rayleigh scattering merupakan sinyal yang bergetar karena adanya fluktuasi indeks bias dalam core serat optik, atau pemantulan ulang yang disebabkan adanya diskontinyu pada serat optik. OTDR menangkap sinyal backscattered dari ujung salah satu serat yang digunakan dan dianalisa untuk menghasilkan besarnya attenuasi pada serat optik. Sistem ini memungkinkan pengukuran amplitudo dan time delay dari sinyal yang terpantulkan, juga posisi dimana terjadinya kerusakan tersebut. Pada sistem OTDR, transmitter dan receiver
berada pada satu tempat sehingga jarak yang ditempuh oleh sinyal adalah sejauh 2l, sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut:
...(4) Sedangkan untuk hilang daya yang terdeteksi pada OTDR adalah sebagai berikut:
...(5)
...(6)
Persamaan (5) berdasarkan fungsi waktu, sedangkan persamaan (6) berdasarkan panjang serat optik.
2.3 Sensor Serat Optik Terdistribusi
Dalam rangka untuk mengetahui prinsip dasar kerja sensor serat optik terdistribusi, diperlukan konstruksi model yang merangkul semua kemungkinan bentuk dari sistem sensor serat optik terdistribusi ini.
Parameter sistem diperlukan untuk konstruksi model sensor serat optik terdistribusi yang akan dibangun. Parameter karakteristik utama untuk penyusunan sensor serat optik terdistribusi mungkin dapat didefinisikan sebagai berikut. Pertama adalah resolusi spasial (l). Kedua adalah panjang jalur serat (L). Ketiga adalah sensitivitas (S). Keempat adalah bandwidth pengukuran (B). Kelima adalah bandwidth sistem (W). Keenam adalah level noise. Ketujuh range dinamik (D) dan terakhir adalah properti serat.
Pada dasarnya distributed fiber optical sensor
terbagi menjadi 2 tipe: Intrinsik distributed sensor
dan quasi distributed sensor. Perbedaan mencolok dari intrinsic dan quasi distributed sensor adalah dari keadaan serat optik itu sendiri, intrinsic distributed sensor tidak perlu tambahan peralatan lain, sedangkan quasi distributed sensor
menggunakan penambahan peralatan eksternal untuk menambah luasan kapabilitas pengukuran.
Intrinsic distributed fiber optical sensor
efektif untuk digunakan untuk aplikasi pemantauan satu besaran pengukuran pada banyak titik lokasi pengukuran sepanjang serat optik. Aplikasi tersebut seperti pengukuran dan pemantauan strain pada bangunan, jembatan, bendungan, pesawat terbang dan kapal laut, pengukuran temperatur berkelanjutan pada sistem pembangkit listrik, pendeteksian bocor pada sistem perpipaan, sensor pada proses fabrikasi material komposit untuk
smart structure dan untuk analisa pemantauan fiber optic network.
Intrinsic distributed fiber optical sensor
terbagi menjadi beberapa macam tergantung pada prinsip yang digunakan. Pertama yaitu berbasis pada optical time domain reflectometer, kedua berdasarkan pada optical frequency domain reflectometer. Intrinsic distributed fiber optical
sensor berbasis pada optical time domain reflectometer terbagi lagi menjadi beberapa macam, pertama dengan menggunakan prinsip hamburan Rayleigh, kedua berdasarkan hamburan
Raman dan yang ketiga berdasarkan hamburan
Brillouin.
2.4 Material Beton
Beton merupakan material buatan yang telah digunakan sejak lama dalam rekayasa bidang sipil sebagai material struktural maupun non-struktural untuk memenuhi kebutuhan dan menunjang aktifitas manusia. Beton dibentuk dari pencampuran bahan batuan yang diikat dengan
bahan perekat semen. Bahan batuan yang digunakan untuk menyusun beton umumnya dibedakan menjadi agregat kasar (krikil/batu pecah) dan agregat halus (pasir). Aregat halus dan agregat kasar disebut sebagai bahan susun kasar campuran dan merupakan komponen utama beton. Umumnya penggunaan bahan agregat dalam adukan beton mencapai jumlah ± 70%-75% dari seluruh beton. Sebagai material struktural, material beton lemah terhadap tarik dan mempunyai keunggulan dalam bidang tekan, perawatan murah dan dapat dicor sesuai dengan bentuk yang diinginkan. Nilai kuat tarik beton yang lemah hanya berkisar 9 % - 15 % saja dari kuat tekannya. Karena hal inilah beton hanya diperhitungkan bekerja dengan baik didaerah tekan area luas penampangnya , sedangkan gaya tarik dipikul oleh tulang pembentuknya, baik tulangan yang berasala dari baja atau bahan lainnya.
3. METODOLOGI
Metodologi dalam menyelesaikan penelitian ini adalah sebagai berikut. Studi literature mengenai konsep serat optik single mode step indeks, distributed fiber optical sensor dan optical time domain reflectometer. Kemudian merancang sensor serat optic terdistribusi untuk pendeteksian dini retakan struktur jembatan. Perancangannya berupa segmen struktur beton jembatan yang telah ditanam didalamnya sensor yang telah dirancang. Adapun rencana rancangan pemodelan sistem monitoring kerusakan struktur beton jembatan menggunakan serat optik adalah sebagai berikut:
Desain Model Keseluruhan
Desain model keseluruhan ini menunjukan secara umum bagaimana sistem ini dirancang.
Gambar 1 Desain Model Keseluruhan Gambar 1 menunjukan beton yang telah terintegrasi dengan serat optik. Serat optik yang diintegrasikan pada beton dikondisikan agar dapat bereaksi terhadap retakan yang timbul. Retakan menyebabkan perubahan mekanik pada struktur beton dan berpengaruh terhadap konfigurasi awal serat optik sehingga menyebabkan pelekukan (bending). Saat terjadi pelekukan tersebut maka intensitas cahaya yang dirambatkan pada serat optik akan berkurang. Mekanisme ini akan dideteksi oleh OTDR dan diketahui pada titik mana intensitas cahaya tersebut berkurang sehingga dapat diketahui pula titik dimana terjadinya retakan. Data pada OTDR masih berupa grafik kasar sehingga
untuk memperhalusnya dan mempermudah dalam pembacaannya dihubungkan dengan sebuah
personal computer (PC).
Desain Beton Terintegrasi Serat Optik
Pada dasarnya desain beton yang akan diuji dibuat berdasarkan pada teknologi sipil yang berlaku. Beton yang dibuat merupakan salah satu jenis beton yaitu beton polos. Modifikasi hanya dilakukan terkait dengan pemasangan serat optik pada beton sehingga dapat mendeteksi terjadinya retakan pada beton tersebut secara optimal.
Gambar 2 Beton Terintegrasi Serat Optik Model 1 (a)Tampak Samping, (b)Tampak Atas Gambar 2 memperlihatkan tampak samping dan atas sebuah desain beton polos yang digunakan. Serat optik dipasang dengan membentuk lingkaran dimaksudkan supaya sensitif terhadap deformasi struktur pada beton.
Gambar 3: Beton Terintegrasi Serat Optik Model 2 (a)Tampak Samping, (b)Tampak Atas Gambar 3 memperlihatkan tampak samping dan atas sebuah desain beton polos yang digunakan. Serat optik dipasang dengan membentuk lingkaran dimaksudkan supaya sensitif terhadap deformasi struktur pada beton.
Pengambilan data berupa pengukuran kinerja serat optik menggunakan OTDR, dilakukan beberapa tahap. Tahap pertama adalah tahap pengambilan data dimana contoh beton yang akan dianalisa baru terbentuk, keadaan bentuk beton masih utuh tanpa deformasi karena gaya eksternal.
(a)
Tahap kedua adalah tahap pengambilan data dimana beton yang dianalisa telah dikenakan gaya. Pengenaan gaya ini menyebabkan deformasi mekanik pada struktur beton sehingga menyebabkan konfigurasi serat optik yang telah terpasang pada struktur beton pun akan berubah.
Gambar 4: Flowchart Metodologi Tugas Akhir Secara Keseluruhan
4. HASIL DAN ANALISA
Pengukuran dilakukan dengan menggunakan parameter pengukuran pada OTDR yang tertera pada tabel 1.
Tabel 1 Parameter Pengukuran Sistem
Range 0-0.4 meter Pulse Width 30 ns Wavelength 1310 nm Refractive Index 1.47180 Scattering Coefficient 48.50 dB Sample Distant 4 cm Optimize Resolution
Averaging Time 30 second Dari 4 benda uji coba coba yang telah diberi perlakuan beban, hasilnya adalah sebagai berikut ini,
Benda Uji 1 Model 1
Gambar 5 : Grafik Susunan Serat Optik Untuk Benda Uji 1 Model 1
Benda uji 1 model 1 dikenakan beban secara berkala sampai terjadi retakan hasil, dari segi bentuk, pengukuran pertama sampai terakhir satu tipikal (gambar tiap pengukuran terdapat dilampiran). Daerah yang diamati adalah slope
serat optik yang dipasang pada serat optik. Panjang
slope 12.49 meter, panjang sisanya dipengaruhi reflektansi antar konektor.
Tabel 2: Perbandingan Beban dengan Hilang daya benda uji 1 model 1
Beban (kg) 2p Loss (dB) 0 1.123 100 1.146 200 1.167 300 1.158 400 1.179 500 1.164 600 1.607 700 1.633 800 1.685 Pada tabel 2 dan gambar dapat dilihat kinerja serat optik yang dimanfaatkan sebagai sensor pada benda kerja 1 model 1, mulai dari titik 0 (tanpa beban) sampai pada beban 500 kg, hilang daya meningkat secara linear dan saat pemberian beban diantara 500 kg – 600 kg, hilang daya mengalami lonjakan yang signifikan, setelah itu hilang daya kembali meningkat secara linear. Secara kasat mata retakan terjadi pada saat pemberian beban antara 700 kg - 800 kg, atau lebih tepatnya pada saat pemberian beban sebesar 740 kg. Tetapi jika melihat dari trend yang terjadi pada grafik gambar xx, lonjakan hilang daya terjadi saat pemberian beban antara 500 kg – 600 kg. Hal ini membuktikan bahwa serat optik sebagai sensor pendeteksi retakan mampu mendeteksi lebih dini.
Gambar 6 :Grafik Perbandingan Beban Dengan hilang Daya Pada Daerah Benda Kerja 1 Model 1
Benda Uji 2 Model 1
Gambar 7 menunjukan grafik untuk benda uji 2 model 1.
Gambar 7: Grafik Susunan Serat OptikUntuk Benda Uji 2 Model 1
Perlakuan pada benda uji 2 model 1 sama dengan perlakuan pada benda uji 1 model 1 dengan panjang slope 10.56 meter.
Tabel 3: Perbandingan Beban dengan Hilang daya benda uji 2 model 1
Beban (kg) 2p Loss (dB) 0 1.075 100 1.094 200 1.125 300 1.134 400 1.142 500 1.138 600 1.138 700 1.167 800 1.201
Gambar 8: Grafik Perbandingan Beban Dengan hilang Daya Pada Daerah Benda Kerja 2 Model 1
Pada tabel 3 dan gambar 8 terlihat perbandingan pemberian beban dengan hilang daya yang dialami oleh serat optik. Sampai pada pemberian beban sebesar 600 kg, hilang daya meningkat dengan kemiringan yang rendah, Saat pemberian beban 600 kg – 800 kg, terjadi peningkatan hilang daya yang cukup signifikan. Benda uji mengalami retak secara kasat mata pada pemberian beban 800 kg.
Benda uji 1 model 2
Gambar 9 menunjukan grafik kinerja perlakuan benda uji 1 model 2
Gambar 9: Grafik Pengukuran Kinerja Serat Optik Pada Benda Uji 1 Model
2
Benda uji 1 model 2 dikenakan beban secara berkala sampai pada hasil pengukuran yang tidak lagi berubah (steady). Daerah yang diamati adalah slope serat optik yang dipasang pada serat optik. Panjang slope 7.4 meter, panjang sisanya dipengaruhi reflektansi antar konektor.
Tabel 4: Loss Daya Pada Slope Benda Uji 1 Model 2 Beban (kg) 2p Loss (dB) 0 1.613 250 1.521 500 1.51 1000 1.435 2000 1.4 3000 1.363 4000 1.376 5000 1.342 7000 1.343 9000 1.347 10000 1.348 12000 1.336 14000 1.345 16000 1.351 18000 1.342 20000 1.331 22000 1.331 24000 1.34 26000 1.335 28000 1.341 30000 1.341
Gambar 9 : Grafik Perbandingan Beban Dengan hilang Daya Pada Daerah Benda Kerja 1 Model 2
Pada tabel 4 dan gambar 9 terlihat perbandingan pemberian beban dengan hilang daya yang dialami oleh serat optik. Trend grafik menunjukan penurunan hilang daya sampai pada titik tertentu, setelah itu menjadi steady. Hal ini disebabkan karena pada benda uji model 2 dengan konfigurasi gelombang dikenakan beban, akan terjadi perubahan dimensi benda (tanpa perubahan volume) dimana perubahan tersebut membentuk konfigurasi gelombang menjadi lurus.
Bahan Uji 2 Model 2
Gambar 10 menunjukan grafik kinerja perlakuan benda uji 2 model 2.
Gambar 10: Grafik Pengukuran Kinerja Serat OptikPada Benda Uji 1 Model
2
Perlakuan pada benda uji 2 model 2 sama dengan perlakuan pada benda uji 1 model 2 dengan panjang slope 7.28 meter.
Tabel 5: Loss Daya Pada Slope Benda Uji 2 Model 2 Beban (kg) 2p Loss (dB) 0 1.382 1000 1.39 2000 1.389 3000 1.395 4000 1.382 5000 1.385 7000 1.376 9000 1.377 11000 1.386 13000 1.387 15000 1.375 17000 1.373 19000 1.372 21000 1.372 23000 1.361 25000 1.354 27000 1.35 29000 1.351 30000 1.349
Gambar 4.6 : Grafik Perbandingan Beban Dengan hilang Daya Pada Daerah Benda Kerja 1 Model 2 Hal yang sama pada benda uji 1 model 2, terjadi juga pada benda uji 2 model 2, dengan perubahan yang tidak seekstrim pada pada benda uji 1 model 2.
5. KESIMPULAN
Terdapat beberapa kesimpulan yang dapat diambil, yaitu sebagai berikut:
1. Telah dapat dibangun dan dirancang sebuah sensor optik terdistribusi untuk memantau dan mendeteksi dini retakan pada struktur suatu beton.
2. Dari 2 konfigurasi yang telah dirancang, yaitu konfigurasi lingkaran dan konfigurasi gelombang, konfigurasi lingkaran jauh lebih sensitif dibandingkan dengan konfigurasi gelombang.
3. Pada konfigurasi lingkaran, pendeteksian dini retakan dapat diketahui. Pada benda uji 1 retakan mulai dapat diketahui saat benda uji diberi beban diatas 500 kg, secara kasat mata pada tekanan beban sebesar 740 kg. Pada benda uji 2 yaitu saat diberi tekanan beban diatas 600 kg, secara kasat mata terlihat pada tekanan beban sebesar 800 kg.
DAFTAR PUSTAKA
Agrawal, Govind P. 2001. “Nonlinear Fiber Optik” Academic Press. London UK.
Bahaa E. A. Saleh, "Fundamentals of Photonics", Malvin Carl Teich.
Chai Jng. 2003. “Basic study on crack and deflection of rock by optical fiber sensing technology”. Ph.D. thesis. Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, China.
Dewi Y.K.C, Nasution Aulia M.T. 2008. “ Studi Numerik Pengaruh Temperatur Terhadap Pergeseran Frekuensi Brillouin Pada Single Mode Optical Fiber Sebagai Sensor Temperatur”. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya.
E. Udd and John Paul Theriault. 1990. “Microbending fiber optic sensors for smart structures[C]”. Proc. SPIE 1990:1170:478-482
J. Chai, S.M Wei, X.T. Chang, J.X. Liu. 2004 “Monitoring Deformation and Damage on Rock Structure With Distributed Fiber Optical Sensing”
Paper 1B17-SINOROCK2004 Symposium, College of Energy Science
and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, China.
Kai Tai Wan, Christopher K.Y. Leung. 2005. “ Aplication of a Distributed Fiber Optic Crack Sensor For Concrete Structure”. Departement of Civil Engineering, The Hongkong University of Scince and Technology, Clear Waterbay, Kowloon, Hongkong. Keiser, Gerd. 2000. "Optical Fiber
Communications". Mc Graw Hill International Edition
N.M.P. Pinto, O. Frazao, J.M. Baptista, J.L. Santos. 2005. “ Quasi-distributed displacement sensor for structural monitoring using a commercial OTDR”. Science Direct.
