FABRIKASI SENSOR PERGESERAN BERBASIS MACROBENDING SERAT OPTIK

Oleh; Hadziqul Abror

NRP. 1109 100 704

Pembimbing: Dr. Melania Suweni Muntini, M.T

Ruang Sidang Fisika, 20 Maret 2012

Outline

Pendahuluan

Tinjauan pustaka

Metodologi Penelitian

Hasil dan Pembahasan

Kesimpulan dan Saran

Latar belakang Serat Optik sebagai transmisi data dengan kecepatan tinggi

Dengan prinsip macrobending serat optik, digunakan sebagai sensor pergeseran

Dengan prinsip rugi daya, serat optik digunakan sebagai sensor - Kelembapan (gejala evanescent pada

serat optik yang dikelupas) - Pergeseran dengan OTDR

Permasalahan dan Batasan Masalah Permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini sebagai berikut:

1. Bagaimana memodelkan Sensor pergeseran Berbasis serat optik berdasarkan prinsip rugi daya akibat lekukan makro. 2. Bagaimana pengaruh banyak lekukan serat optik terhadap rugi daya. 3. Bagaimana karakteristik sensor pergeseran yang dirancang.

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Penelitian ini mempelajari pergeseran dua arah dengan

memanfaatkan prinsip rugi daya akibat lekukan pada serat optik.

2. Penelitian ini menggunakan sumber cahaya berupa LED Infrared

tipe IF-E91 dan detector fototransisitor tipe IF-D92.

3. Serat optik yang dipakai adalah serat optikmultimode tipe FTP-3120-

10 buatan autonics.

Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Menghasilkan perancangan sensor pergeseran berbasis macrobending serat optik.

2. Mempelajari pengaruh jumlah lekukan terhadap rugi daya serta karakteristik sensor yang telah dibuat.

3. Menganalisis karakteristik sensor pergeseran yang telah dibuat.

Tinjauan Pustaka

• Pergeseran • Serat optik • Prinsip pemanduan cahaya • Rugi daya akibat kelengkungan • Sensor dan karakteristiknya • LED • Fototransistor • Minimum system mikrokontroller

pergeseran

Perubahan posisi suatu partikel disebut pergeseran (displacement)

Gambar 2.1 Pergeseran A ke B

A B

(Halliday, 1995)

(2.1)

Serat optik Serat Optik (optical fiber) merupakan pemandu gelombang dielektrik yang beroperasi pada frekuensi optik

Gambar 2.2. Struktur serat optik

Single mode

Multi mode

Step indeks

Graded Indeks

Serat Optik

Berdasarkan Indeks bias

Berdasarkan moda yang terpandu

(Schott, 2002)

Prinsip pemanduan cahaya Prinsip pemanduan cahaya dalam serat optik berdasarkan pemantulan dalam sempurna (total internal reflection). Sudut yang menentukan terjadinya total internal reflection dinamakan sudut kritis

Gambar 2.6. Propagasi gelombang pada serat optik

Numerical Apertur (NA):

(2.2)

(Keiser, 1991)

Rugi daya akibat kelengkungan

Gambar 2.7. (a). profil indeks bias efektif saat fiber optik lurus (b). profil indeks bias fiber optik saat ada

lengkungan.

Semakin kecil jari-jari kelengkungan maka nilai indeks bias inti semakin mendekati indeks bias cladding sehingga makin banyak sinar yang terbiaskan keluar dari inti serat.

Gambar 2.9. Rugi daya akibat microbending Gambar 2.8. Rugi daya akibat macrobending

Sensor dan karakteristik Sensor adalah piranti yang dapat mendeteksi perubahan besaran fisis menjadi sinyal elektrik. Perubahan besaran fisis (stimulan) tersebut merupakan kuantitas energi yang dideteksi kemudian dikonversi ke dalam sinyal elektrik

karakteristik statik sensor meliputi kalibrasi, linieritas, sensitivitas, jangkauan pengukuran, saturasi, dan repeatibility.

Gambar 2.10 Linearitas Gambar 2.11 Saturasi

LED Light Emitting Diode (LED) merupakan tipe dioda PN junction yang terbuat dari band

gab semikonduktor, yang menghasilkan emisi foton dari proses rekombinasi pasangan

elektron-hole. Energi foton yang dipancarkan kira-kira sama dengan energi gab.

Cahaya emisi tergantung pada besarnya energi gap. Inframerah memiliki energi gab

sebesar 1,35 eV dengan panjang gelombang cahaya emisi sebesar 0,9 mikrometer,

sedangkan cahaya tampak memiliki energi gap sebesar 2,25 eV (Omar,1974).

(2.8) Gambar 2.13 (a). Energi band gap pada PN junction tanpa diberi bias (b). terjadinya rekombinasi pasangan hole elektron pada pn junction yang diberi bias maju

Fototransistor Fototransistor merupakan sebuah detektor cahaya yang merupakan kombinasi dari

fotodioda dan penguatan transistor. Fototransistor ini merupakan semikonduktor

fotokonduktor NPN yang dioperasikan pada tegangan bias mundur. Ketika cahaya mengenai

permukaan fotokonduktor, pembawa muatan akan mengalami transisi dari suatu pita energi

ke pita energi lainnya, hal ini menyebabkan meningkatnya konduktivitas semikonduktor

akibat meningkatnya pembawa muatan.

(Sze.1936) dan (malcom, 1985)

(2.9)

Dengan Iph merupakan fotocurrent, hFE adalah gain dari arus common-emitor dan efisiensi

kuantum efektif adalah (1+ hFE) yang nilainya lebih besar daripada basis colektor fotodioda.

Minimum System Mikrokontroller

Sistem minimum mikrokotroler adalah rangkaian elektronik minimum yang diperlukan untuk beroperasinya IC mikrokontroler. Ada beberapa komponen yang dibuat untuk merangkai system ATmega AVR 8535 diantaranya yaitu : IC Mikrokontroler ATmega 8535 1 XTAL 12 Mhz Kapasitor Resistor Tombol reset pushbutton Power supply 5V.

Gambar 2.15 Pin ATmega 8535

Metodologi Studi literatur

Persiapan alat dan bahan

Pembuatan elemen sensor

Pembuatan sistem instrumentasi

Pembuatan mikrokontroller

Pengambilan data

Pembahasan dan pembuatan laporan

Gambar 3.1 Blok diagram penelitian

Box pengondisi sinyal

15cmm 15 cm

LED Fototransistoror

Lekukan fiber

Gambar 3.2 Set up alat

Pembuatan Serat Optik sebagai Elemen Sensor

Sistem sensor ini terdiri dari LED sebagai sumber cahaya yang dihubungan dengan salah satu ujung serat optik. Serat optik sebagai pemandu gelombang, serta fototransistor sebagai receiver cahaya yang dihubungkan dengan ujung serat optik lainnya

Gambar 3.3 Sistem elemen sensor

Pembuatan Catu Daya

Catu daya ini sebagai sumber tegangan sensor. catu daya yang dibuat memiliki keluaran +5Volt, +12 Volt, dan -12 Volt.

Gambar 3.4 Rangkaian catu daya

Perancangan Mikrokontroller (Minimum Sistem ATmega 8535)

Gambar 3.6 Rangkaian skematik mikrokontroler

Pembuatan Software program mikrokontroller

dengan menggunakan Codevision AVR

Metode Pengujian Metode pengujian sensor ini adalah sebagai berikut:

1. Karakterisasi lekukan, pengukuran tegangan untuk jumlah lekukan satu sampai tiga lekukan dengan jarak antar lekukan 5 cm.

2. Pengambilan data dilakukan pada range sudut 300sampai 1500. Percobaan dilakukan setiap perubahan 100 dan diulang sebanyak lima kali.

3. Pemilihan lekukan terbaik untuk sensor. pengambilan data dilakukan untuk pergeseran maju (dengan ditarik) dan mundur (dengan dilepas).

Metode Analisa Metode analisa dalam penelitian adalah sebagai berikut:

1. Pengaruh sudut terhadap tegangan keluaran (terhadap rugi daya). 2. Membandingkan tegangan keluaran untuk satu lekukan, dua lekukan, dan tiga

lekukan, seberapa efek dari penambahan lekukan dan apa hubungannya. 3. Karakterisasi sensor yang meliputi sensitifitas, linieritas, jangkauan

pengukuran, akurasi dan presisi (untuk jarak), dan sebagainya.

Hasil dan Pembahasan

Cahaya sumber berasal dari LED Dipandu oleh serat optik

Cahaya diterima fototransistor Adanya variasi sudut lekukan, terjadi

perbedaan intensitas pada fototransistor

Intensitas cahaya dikonversi ke hambatan kemudian tegangan Pengondisi sinyal

Mikrokontroller (ADC) Tampilan LCD

Gambar 4.1. Blok diagram prinsip dasar sensor

Penelitian ini terdiri dari studi rugi daya dengan variasi sudut lekukan dan jumlah lekukan, serta pengaplikasiannya dalam sensor pergeseran

Studi Rugi Daya pada Satu Lekukan

- kenaikan tegangan rata-rata untuk setiap kenaikkan sudut 100 pada rentang sudut 300 - 1800 sebesar 6 mV.

- kenaikkan tegangan tertinggi pada sudut 600, dengan delta tegangan 14 mV. - Jangkauan pengukuranya adalah 77,4 mV yaitu dari 4729m V sampai 4806,4 mV - Gradien garis menunjukkan nilai 0,655 mV/derajat

y = 0.6557x + 4715 R² = 0.9765

4720

4730

4740

4750

4760

4770

4780

4790

4800

4810

4820

0 50 100 150

Tega

ngan

(mV)

Sudut (derajat)

Series1

Linear (Series1)

Gambar 4.2.Grafik hasil percobaan untuk satu lekukan

Studi Rugi Daya pada Dua Lekukan

y = 0.8052x + 4684.8 R² = 0.8673

4680

4700

4720

4740

4760

4780

4800

4820

0 50 100 150

Tega

ngan

(mV)

Sudut (derajat)

Series1

Linear (Series1)

Gambar 4.3. Grafik percobaan untuk dua lekukan

- Jangkauan pengukuran sebesar 100,4 mV. (yaitu dari 4790,6 mV sampai 4690,2 mV ) - Kenaikan tegangan rata-rata per 100 adalah 8,37 mV - Kenaikan tegangan tertinggi terjadi pada saat sudut 500 dengan kenaikan sebesar 18 mV. - ---- Persamaan yang diperoleh dengan regresi linerar adalah y=0,805x+4684 mV. - Gradien 0,805 mV/derajat

Studi Rugi Daya pada Tiga Lekukan

y = 3.6697x + 4237.4 R² = 0.7255

4000

4100

4200

4300

4400

4500

4600

4700

4800

4900

0 50 100 150 200

Tega

ngan

(mV)

Sudut (derajat)

Series1

Linear (Series1)

Gambar 4.4.Grafik hasil percobaan untuk tiga lekukan

-Kenaikkan tegangan rata-rata per 100 adalah sebesar 50 mV - Kenaikkan tertinggi terjadi pada sudut 400. Jangkauan pengukuran sebesar 0,607V. -Persamaan grafik dengan pendekatan regresi linear y=3,669x+4237 mV -Nilai kedekatan nilai percobaan terhadap referensi (R2) sebesar 0,725. - Semakin tidak linear

Rugi Daya dalam dB

Grafik 4.4 Perbandingan rugi daya dengan variasi sudut lekukan dan jumlah lekukan

-Semakin kecil sudut lekukan, maka rugi daya semakin besar - Semakin banyak jumlah lekukan, maka rugi daya semakin besar

dB=20 log V2/V1 dengan: V2= tegangan ketika ada lekukan V1 = tegangan ketika lurus

Alat ukur panjang yang dipakai sebagai kalibrator adalah penggaris. Kalibrasi sensor dilakukan dengan cara menggeser bidang geser dengan pergeseran setiap 0,5 cm dari pergeseran 0 – 3,5 cm. Ketika bidang geser tidak ada pergeseran, yakni berimpit dengan bidang yang diam, maka disebut titik nol dan pada saat ini besar tegangan keluaran sensor dicatat. Kemudian bidang geser digeser setiap kenaikan 0,5 cm. Kemudian tegangan keluaran sensor dicatat.

Kalibrasi sensor

y = 1.9133x3 - 15.422x2 + 42.6x - 40.239 R² = 0.9936

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9

Perg

eser

an (c

m)

Tegangan (Volt)

Gambar 4.6 Kalibrasi Sensor

Pengujian Tarik Sensor

- jangkauan pengukuran pergeserandari sebesar 3 cm

- Jangkauan tegangan yang terbaca sensor adalah 1,021 Volt

- Error Relatif terhadap referensi adalah 3,18%.

y = 2.1181x3 - 17.263x2 + 48.041x - 45.508 R² = 0.9999

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9

Perg

eser

an (c

m)

Tegangan (Volt)

Uji Tarik

Gambar 4.9 Grafik hasil percobaan sensor pada saat ditarik

Pengujian Lepas Sensor

- Jangkauan pengukuran tegangan adalah 1,035 Volt

- Jangkauan pergeseran yang dapat dideteksi sensor adalah 3 cm

- Error relatif sebesar 6,29%

y = 1.7864x3 - 14.157x2 + 38.41x - 35.631 R² = 1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9

Perg

eser

an (c

m)

Tegangan (Volt)

Uji Lepas

ambar 4.10 Grafik hasil percobaan sensor pada saat lepas

Komparasi saat uji tarik dan lepas

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9

Perg

eser

an (c

m)

Tegangan (Volt)

tarik Lepas

Gambar 4.11 Grafik komparasi untuk uji tarik dan lepas

Prinsip yang ditujukkan dari gambar 4.10 dan 4.11 adalah semakin panjang pergeresan, maka sudut lekukan semakin besar, sehingga rugi daya akibat lekukan semakin lebih kecil. Sehingga intensitas yang diterima fototransistor semakin besar, sehingga resistansi semakin kecil.

Kesimpulan • Dari percobaan studi rugi daya pada serat optik dengan

variasi sudut lekukan dan banyak lekukan didapatkan kesimpulan bahwa semakin banyak lekukan maka semakin besar rugi daya pada serat optik; serta semakin kecil sudut lekukan maka semakin besar rugi daya pada serat optik.

• Sensor pergeseran yang dibuat memiliki jangkauan pengukuran pergeseran sebesar 3 cm dengan jangkauan pengukuran tegangan 1,021 Volt. Grafik sensor yang diperoleh mendekati persamaan polynomial orde-3. Nilai error relatif sebesar 3,18% untuk uji tarik dan 6,29 % untuk uji lepas.