LAPORAN AKHIR SISTEM FOTONIKA

8/11/2019 LAPORAN AKHIR SISTEM FOTONIKA

http://slidepdf.com/reader/full/laporan-akhir-sistem-fotonika 1/8

LAPORAN AKHIR

SISTEM FOTONIKA

PERANCANGAN SENSOR KELEMBABAN BERBASIS

SERAT OPTIK DENGAN CLADDING GELATIN+ CoCl2

MENGGUNAKAN VARIASI PANJANG GELOMBANG

Dosen :

Ir. Aulia M. T. Nasution MSc

Anggota Kelompok 2 :

Afthon Ilman Huda Isyfi 2411100125

Vinda Dwi Dini P 2412100048

Okky Dwi P 2411100060

Nasrul Haq Al Masbi 2411100009

PROGRAM STUDI S1 – TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2014



.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1

Latar BelakangHigrometer yang merupakan alat ukur kelembaban memiliki kelemahan yaitu mudah

terinterferensi dengan gelombang elektromagnetik. Higrometer berfungsi untuk

mengukur kelembaban suatu ruangan, kelembaban variabel penting yang sangat

berpengaruh terhadap proses di alam . Besarnya kelembaban dalam sebuah ruangan akan

mempengaruhi kondisi peralatan di dalamnya. Contohnya : Peralatan elektronik mudah

berkarat jika udara lingkungan memiliki kelembaban tinggi. Dalam pengukuran

diperlukan sensor yang akurat, cepat dan teliti sehingga dibuat sensor kelembaban

berbasis optik yaitu menggunakan fiber optik.

2.1 Rumusan Masalah

Adapun rumusal masalah dalam laporan akhir ini adalah Bagaimana merancang

sensor kelembaban berbasis cladding gelatin + CoCl2 yang akurat dan sensitifitas tinggi.

3.1 Penelitian Sebelumnya :

Penelitian sebelumnya dengan judul perancangan sensor kelembaban menggunakan serat

optik dengan cladding gelatin + Cobalt Chloride (COCl2 ) oleh Vidia Ayu Seta Mahasiswa

Teknik fisika ITS Surabaya. Pada penelitian tersebut menggunakan panjang cladding gelatin

+ Cobalt Chloride (COCl2 ) yang berbeda yaitu 2, 3 dan 4 cm dan display yang digunakan

masih analog yaitu multimeter. Inovasi yang dilakukan dari penelitian ini adalah

menggunakan sumber cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda-beda yaitu LED

warna merah 780 nm, hijau (ultragreen) 523 nm dan ungu 650 nm, untuk mengetahui panjang

gelombang mana yang paling optimal sebagai sumber cahaya untuk mendapatkan nilai

kelembaban yang akurat disertai display digital dalam bentuk grafik pada PC dan nilai rata-rata kelembaban.

Definisi Parameter Pengukuran :

- Pengertian Kelembaban :

Ukuran jumlah uap air di udara. Semakin banyak kandungan uap air di udara berarti

kelembaban tinggi sebaliknya semakin rendah kandungan uap air di udara artinya

kelembaban semakin rendah. Kelembaban yang diukur dalam perancangan ini adalah

kelembaban relatif (Relative Humidity / RH).



.

Kelembaban relatif adalah menggambarkan jumlah uap air yang terkandung di dalam

campuran air-udara dalam fasa gas atau rasio tekanan parsial uap air dalam campuran

terhadap tekanan uap jenuh air pada temperatur tersebut

Keterangan :

RH : Kelembaban relatif campuran

P(H2O) : tekanan parsial dalam campuran

P*(H2O) : tekanan uap jenuh air pada temperatur tersebut dalam campuran

- Gelombang Evanescent

Gelombang evanescent adalah gelombang dengan intensitas yang menunjukkan

peluruhan eksponensial tanpa resapan sebagai fungsi jarak dari batas di mana gelombang

terbentuk. Jika gelombang evanescent diserap oleh spesis-spesis penyerap di sekitar inti serat

optik yang berinteraksi dengan medium sensing, ,maka akan menimbulkan fenomena

pelemahan refleksi total ( attenuated total reflection ) sehingga menurunkan daya keluaran

serat optik.

Prinsip kerja sensor kelembaban menggunakan serat optik didasarkan fenomena absorpsi

gelombang evanescent yang didasarkan pada serapan (atenuasi) gelombang optik cladding,

besarnya indeks bias cladding gelatin menentukan besarnya intensitas cahaya yang terserap

sehingga menentukan daya keluaran.

Gambar 1 Gelombang Evanescent (Akhiruddin Maddu dkk, 2006)

Pada saat penjalaran pada serat optik, sebagian gelombang terserap ke dalam cladding

dan energi tersebut menghilang secara eksponensial, persamaan gelombang evanescent :



.

Keterangan :

z : jarak penjalaran gelombang cahaya

: medan gelombang mula-mula

: penetration depth yaitu kedalaman gelombang memasuki cladding

Penetration depth dirumuskan sebagai berikut :

√

Keterangan :

n = rasio indeks bias cladding terhadap core

Jika gelombang evanescent diserap oleh spesis-spesis penyerap di sekitar inti serat optik

yang berinteraksi dengan medium sensing, ,maka akan menimbulkan fenomena pelemahan

refleksi total ( attenuated total reflection ) sehingga menurunkan daya keluaran serat optik.

Transmisi daya serat optik berdasarkan hukum Beer-Lambert :

Keterangan :

l : panjang bagian serat optik yang tidak ada cladding

: daya yang ditransmisikan melalui serat optik tanpa adanya spesis penyerap

: koefisien absorpsi gelombang evanescent, karena

Maka :

Keterangan :

f : fungsi daya yang ditransmisikan melalui cladding

: koefisien absorpsi

- Gelatin dan COCl2

Gelatin dari bahasa latin “gelare” yang artinya mem buat beku. Gelatin adalah bahan

hidrogel dari polimer alami yang diekstrak dari tulang dan kulit berbagai jenis binatang,

Hidrogel gelatin mengalami pembengkakan ( swelling ) ketika menyerap air, mampu



.

menyerap air 5-10 kali bobotnya, membentuk gel pada suhu 35o-400 oC , larut dalam air

panas dan berubah secara reversible dari sol ke gel. Gelatin transparan, tidak berasa dan tidak

berbahaya. Gelatin terdiri dari ribuan rantai asam amino yang terhubung secara silang

karenanya terdapat lubang diantara rantai yang dapat menahan air.

Sebagai bahan hidrogel (polyvynil alchohol (PVA), polystirene (PS) dan gelatin) , gelatin

mengalami pembengkakan ketika menyerap air sehingga mengurangi kerapatannya. Uap air

yang diserap oleh gelatin akan memasuki rongga-rongga di dalam gelatin sehingga

mengalami pembengkakan (swelling). Implikasinya, indeks bias optik akan berubah yaitu

berkurang terhadap jumlah uap air yang diserap, sehingga sifat absorpsi optiknya menurun.

Gambar 2 Hidrogel menyerap air

Cobalt Chloride (COCl2 ) merupakan senyawa kimia yang sangat peka (indikator)

terhadap perubahan kelembaban, mendeteksi adanya air di lingkungan. Semakin meningkat

kelembaban, cobalt chloride berubah warna dari biru langit ke ungu ke merah muda. Hal

tersebut karena adanya reaksi antara Cobalt Chloride (COCl2 ) dengan air.

Prinsip pengukuran Kelembaban :

Prinsipnya, gelatin mengalami pembengkakan ketika menyerap air sehingga

kerapatannya berkurang yang mengakibatkan sifat optik (indeks bias) nya berkurang. Gelatin

(polimer) membengkak karena mengisi rongga-rongga pada polimer (diameter rongga

membesar), akibatnya akan mengurangi indeks bias polimer sehingga indeks bias polimer

mendekati indeks bias air. Perubahan indeks bias (sifat optik) polimer gelatin ketika

menyerap air dimanfaatkan sebagai material sensor kelembaban optik. Perubahan indeks bias

gelatin terhadap konsentrasi uap air yang diserap diberikan oleh persamaan :

[ ( ) ] []

()

()



.

Keterangan :

: indeks bias polimer saat swelling

: indeks bias sebelum swelling : indeks bias air

: diameter rongga saat swelling

: diameter rongga sebelum swelling

: fraksi uap air yang diserap

Perubahan indeks bias pada cladding akibat swelling menyebabkan berubahnya sudut

kritis pada pemantulan sempurna di inti serat optik, akibatnya sebagian energi cahaya

terserap oleh cladding keluar dari inti secara eksponensial sebagai gelombang evanescent.

Penyerapan cahaya tersebut berpengaruh terhadap intensitas cahaya yang

ditransmisikan, besarnya perubahan intensitas cahaya secara tidak langsung akibat perubahan

kelembaban. Besarnya energi yang terserap oleh cladding sebagai gelombang evanescent

adalah indikasi perubahan kelembaban.

Cladding yang berbahan gelatin + CoCl2 sangat sensitif terhadap perubahan

kelembaban udara karena mempunyai persamaan sifat yaitu higroskopi (sifat bahan yang

mampu menyerap air). Ketika jumlah uap air di dalam chamber meningkat maka kelembabanudara juga akan meningkat sehingga banyak uap air yang diserap oleh lapisan gelatin +

CoCl2 dan kerapatan lapisan tersebut semakin berkurang/merenggang yang menyebabkan

indeks bias lapisan gelatin+CoCl2 semakin besar. Sehingga loss pada sensor kelembaban

yang juga semakin besar yang berakibat intensitas yang dihasilkan semakin kecil. Jadi

hambatan di LDR semakin besar dan tegangan yang dihasilkan juga semakin besar.

Berdasarkan teori tersebut, jika dibandingkan dengan hasil pengukuran sensor kelembaban

yang menggunakan serat optik ini sangat cocok. Hal ini dibuktikan dengan persamaan berikut

ini :

Dari persamaan diatas dapat dianalisis, jika loss (dp) semakin besar maka ncladding juga

semakin besar.

Metodologi penelitian :

Alat yang digunakan :



.

o

Power Supply (5 dan 9 volt) sebagai sumber daya

o Rangkaian voltage divider ( pembagi tegangan )

o

Hygrometer

o Magnetik Stirer

o LDR (light Dependent Resistor)

o

Multimeter

o Gelas kimia

o Termometer

o

Gelas Kimia

o Arduino Uno

Bahan yang digunakan :

o LED (Light Emitting Dioda) sebagai sumber cahaya

o Serat optik plastik

o Serbuk

o

Alkohol

o Serbuk Gelatin

Diagram blok sistem pengukuran kelembaban menggunakan serat optik sebagai media

transmisi serta gelatin dan CoCl2 :

Gambar 2 Diagram Blok Sistem Pengukuran Kelembaban

Penerapan sistem:

- Rangkaian adaptor dengan tegangan output 5 volt dihubungkan ke sumber cahaya LED

sehingga led superbright merah, hijau, biru menyala dengan range 1.8 – 2.1 volt

Sumber Cahaya

Serat Optik

Chamber berisi

sensor kelembaban

berbasis o tik dan

Serat Optik

Arduino Uno

Voltage Divider LDR

Display

LAPORAN AKHIR SISTEM FOTONIKA

Documents

Transcript of LAPORAN AKHIR SISTEM FOTONIKA