BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Indonesia merupakan negara dengan sumber daya alam yang melimpah

dan sumber daya manusia yang memadai, maka ilmu pengetahuan dan teknologi

di Indonesia harus terus ditingkatkan. Agar tidak tertinggal maupun tergantung

pada negara-negara lain, Indonesia harus berani membuat inovasi-inovasi baru

dalam mengatasi segala permasalahan dalam berbagai bidang, terutama bidang

teknologi. Mulai dari sistem komunikasi, transportasi, bidang kesehatan bahkan

dalam permasalahan sehari-hari yang berkaitan dengan teknologi seperti alat

deteksi dan sensor. Selain itu, Indonesia adalah negara yang rawan bencana alam,

maka perlu penanggulangan ataupun pencegahan bencana secara intensif dengan

bantuan teknologi.

Berkaitan dengan beberapa masalah tersebut, teknologi berbasis serat optik

sebagai sensor tampaknya dapat dijadikan solusi alternatif. Serat optik merupakan

media transmisi cahaya yang dapat diaplikasikan sebagai sensor untuk

pengukuran beragam parameter seperti pergeseran, suhu, tekanan, kelembaban,

laju aliran fluida, laju rotasi, konsentrasi suatu zat, medan Iistrik, medan magnet,

serta analisis kimia. Keunggulan serat optik sebagai suatu sensor antara lain

adalah tidak kontak langsung dengan obyek pengukuran, tidak menggunakan

listrik sebagai isyarat, akurasi pengukuran yang tinggi, relatif kebal terbadap

induksi listrik maupun magnet, dapat dimonitor dari jarak jauh, dapat

dibubungkan dengan sistem komunikasi data melalui perangkat antarmuka

(interface) serta dimensi yang kecil dan ringan. Keuntungan lainnya adalah tahan

terhadap interferensi gelombang elektromagnetik, memiliki sensitivitas tinggi, dan

tahan terhadap korosi serta tahan terhadap suhu tinggi. Serat optik juga memiliki

struktur yang sederhada dan biaya rendah.

Aplikasi serat optik sebagai sensor telah banyak digunakan pada sistem

kontrol di industri, sistem monitoring pada deformasi bahan, strain, temperatur,

tekanan dan berat benda yang bergerak serta masih banyak lagi ragam aplikasi

serat optik sebagai sensor. Untuk mengetahui berbagai manfaat serat optik sebagai

sensor dalam beberapa bidang, maka perlu dikaji berbagai sensor serat optik yang

telah ada. Dengan demikian, diharapkan dapat dilakukan pengembangan maupun

pembuatan inovasi baru berbasis serat optik dalam upaya pengembangan

teknologi di Indonesia.

1.2 Rumusan Masalah

Beberapa permasalahan yang akan dikaji dalam makalah tentang serat

optik sebagai sensor diantaranya:

1. Apakah yang dimaksud dengan sensor?

2. Bagaimanakah karakteristik dari serat optik sehingga dapat dijadikan

sebagai sensor?

3. Apa sajakah sensor aplikatif yang berbasis serat optik dan bagaimana

sistem kerjanya?

1.3 Tujuan

Adapun tujuan yang ingin diperoleh dari pembuatan makalah mengenai

serat optik sebagai sensor yaitu:

1. Mengetahui apa yang dimaksud dengan sensor.

2. Mengetahui karakteristik dari serat optik yang dapat dijadikan sebagai

acuan dalam pembuatan sensor.

3. Mengetahui berbagai jenis sensor aplikatif yang berbasis serat optik dan

sistem kerjanya.

1.4 Manfaat

Dari beragai macam alat yang telah ada, tidak semua alat dapat digunakan

terus menerus mengikuti perubahan jaman. Dengan mengkaji berbagai teknologi

yang ada terutama teknologi berbasis serat optik, maka diharapkan seluruh civitas

akademika ataupun stakeholder dalam perkembangan teknologi dapat terus

melakukan inovasi. Sehingga dapat dihasilkan berbagai macam teknologi

terbarukan yang menjadi tolak ukur perkembanagn teknologi Indonesia.

BAB 2. PEMBAHASAN

2. 1 Sensor

Sensor adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mendeteksi adanya

perubahan parameter fisik, kimia, dan sebagainya. Dengan pengertian lain, sensor

juga dapat dikatakan sebagai peralatan yang digunakan untuk merubah suatu

besaran fisik menjadi besaran listrik sehingga dapat dianalisa dengan rangkaian

listrik tertentu.

Sesuai perkembangan teknologi, sensor dapat dibuat dan dikemas dengan

cara yang lebih ekonomis, mudah, dan lebih konvensional. Secara umum, sensor

dapat dikelompokkan menjadi 3 bagian berdasarkan fungsi dan kegunaannya,

yaitu:

1. Sensor thermal, untuk mendeteksi gejala perubahan panas atau suhu.

Contohnya: termokopel, RTD, termistor, dan lain-lain.

2. Sensor mekanis, untuk mendeteksi perubahan gerak mekanis, seperti

pergeseran, gerak lurus dan melingkar, tekanan, dan sebagainya. Contohnya:

LVDT, strain gauge, load cell, dan lain-lain.

3. Sensor optik, untuk mendeteksi perubahan cahaya dari sumber cahaya,

pantulan, ataupun bias cahaya. Contohnya: photo cell, photo diode, dan lain-

lain.

2.2 Serat Optik

Serat optik (optical fibre/fiber optic) merupakan media pandu gelombang

(cahaya) yang bekerja berdasarkan adanya efek pantulan sempurna karena adanya

perbedaan indeks bias material. Serat optik terdiri dari inti (core) dan pembungkus

(cladding) seperti Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Struktur serat optik

1. Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari serat atau inti fisik

yang mengirim sinyal data optik dari sumber cahaya ke alat penerima yang

berupa untai tunggal kontinyu dari kaca atau plastik. Semakin besar core maka

semakin banyak cahaya yang dapat dilewatkan dalam kabel.

2. Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan

sinar kembali ke dalam inti (core), atau layer/lapisan serat yang berfungsi

sebagai pembatas energi elektromagnetik yang terlalu besar, gelombang cahaya

dan penyebab pembiasan pada struktur inti. Pembuatan cladding yang cukup

tebal memungkinkan medan serat tidak dipengaruhi oleh perambatan di sekitar

bahan sehingga bentuk fisik serat tidak cacat.

3. Buffer Coating adalah plastik pelapis yang melindungi serat dari kerusakan.

lapisan plastik disekitar core dan cladding ini juga berfungsi memperkuat inti

serat, membantu penyerapan dan sebagai pelindung ekstra pada pembengkokan

kabel.

Cahaya akan merambat di dalam serat optik karena dipantulkan dengan

sempurna pada batas antarcore dan cladding. Dalam perambatannya cahaya

mengalami pengurangan daya (loss ) akibat adanya penyerapan oleh material fiber

hamburan dan adanya lengkungan (bending); sebagaimana ditunjukkan pada

Gambar 2.2. Bending loss (atau rugi-rugi pembengkokan) merupakan salah satu

dari beberapa sumber loss serat optik. Rugi-rugi ini disebabkan oleh

pembengkokan serat optik melebihi diameter tertentu. Rugi-rugi semacam ini

dalam komunikasi serat optik sangat merugikan. Namun dari sisi lain fenomena

ini dapat dimanfaatkan sebagai sensor.

Gambar 2.2 Makrobending dan mikrobending

Gelombang cahaya yang merambat di dalam serat optik ragam tunggal

(tepatnya: di dalam inti/core serat) akan terdistorsi bila seratnya dilengkungkan.

Kecepatan cahaya yang merambat pada bagian dalam lengkungan hampir lebih

lambat daripada yang bagian luarnya untuk mempertahankan bentuk muka

gelombang. Ini berarti nilai indeks bias inti serat pada bagian tersebut lebih kecil

bila dibandingkan saat serat dalam keadaan lurus. Semakin kecil jari-jari

lengkungan maka nilainya semakin mendekati nilai indeks bias selubung cladding

sehingga makin banyak cahaya yang keluar dari inti serat , atau semakin besar

ruginya. Serat optik memiliki keunggulan yang signifikan dibandingkan media

transmisi kawat konvensional. Keunggulan tersebut antara lain adalah:

1. Rugi transmisi rendah

2. Bandwidth lebar

3. Ukuran kecil dan ringan

4. Tahan gangguan elektromagnetik dan elektrik

2.3 Sensor Berbasis Serat Optik

Terdapat beberapa alat yang telah menerapkan serat optik sebagai sensor

dan dapat dikembangkan lebih lanjut, beberapa diantaranya yaitu:

2.3.1 Sensor Pergeseran

Sensor pergeseran yang dimaksud merupakan aplikasi dari Directional

Coupler serat optik multimode. Desain directional coupler sebagai sensor

pergeseran diperlihatkan pada Gambar 2.3. Prinsip kerja directional coupler

sebagai sensor pergeseran berbasis modulasi intensitas adalah sebagai berikut.

Port sensing directional coupler bertindak sebagai pengumpan sekaligus penerima

berkas cahaya pantulan dari obyek yang berbentuk cermin datar. Pergeseran

cermin akan menyebabkan perubahan daya optik yang diterima oleb port sensing.

Perubahan daya optik tersebut dapat terdeteksi melalui port deteksi.

Gambar 2.3 Susunan alat karakterisasi sensor pergeseran mikro.

Yang diperoleh dari penggunaan alat tersebut berupa data tegangan

keluaran detektor sebagai fungsi pergeseran cermin. Directional coupler serat

optik multimode dapat digunakan sebagai sensor pergeseran sampai orde

mikrometer dengan performansi yang cukup baik (Pramono, 2008).

2.3.2 Sensor Serat Optik untuk Aplikasi Sistem Pengukuran Berat Beban

Berjalan

Sensor serat optik berdasarkan prinsip mikrobending terdiri dari serat optik

dan bending modulator yang menyebabkan terjadinya rugi-rugi daya dan

intensitas cahaya. Performa sensor serat optik ditentukan oleh banyaknya lekukan

yang terjadi pada serat optik sehingga metode modulasi bending diadopsi untuk

menciptakan lekukan secara periodik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4,

bending modulator berupa papan dengan gerigi berbentuk segitiga pada salah satu

sisinya dan serat optik berada tepat di tengah-tengah antara papan gerigi dan

bantalan karet yang berfungsi untuk menimbulkan efek elastis. Tinggi segitiga 5

mm dengan jarak antarpuncak segitiga 10 mm. Bantalan karet yang digunakan

memiliki tingkat kekerasan (hardness) sebesar 65 point. Dengan adanya gaya F

yang menekan papan maka akan menyebabkan terjadinya mikrobending pada

serat optik. Hal ini mengakibatkan sebagian cahaya dalam serat optik akan keluar

dan menyebabkan intensitasnya menurun. Penurunan intensitas cahaya ini dapat

dideteksi dengan photodiode sehingga gaya tekan yang dialami oleh serat optik

dapat dihitung dengan melihat penurunan respon tegangan keluaran photodiode.

Gambar 2.4 Skema sensor serat optik berbasis mikrobending

Blok diagram sistem weight in motion menggunakan sensor serat optik

ditunjukkan pada Gambar 2.5. Spesifikasi laser diode yang digunakan yaitu

panjang gelombang 1310 nm, daya 2.5 mW, D Pin Code, SM Fiber Pigtailed,

FC/PC. Laser dipandu oleh 500 mA Universal Laser Diode Driver. Sedangkan

photodetector menggunakan InGaAs Photodiode dengan rise time 100, 800 –

1800 nm, FC/PC Coupled. Sebagai data akuisisi digunakan DT9816-S dengan

sampling rate hingga 750 kS/s per channel dan resolusi

ADC 16 bit. Cahaya laser melewati dan dimodulasi oleh sensor serat optik.

Intensitas laser ini kemudian dideteksi oleh photodiode. Adanya faktor

mikrobending menyebabkan terjadi variasi besar intensitas yang merupakan

representasi dari gaya tekan pada sensor serat optik. Dari photodiode, sinyal

mengalami penguatan kemudian sinyal ini dikonversi oleh ADC menjadi sinyal

digital. Sinyal digital ini kemudian diolah oleh komputer dengan cara memasukan

suatu persamaan sehingga didapatkan nilai gaya tekan yang terjadi (Setiono,

2013)

Gambar 2.5 Diagram sistem pengukuran beban menggunakan sensor serat

optik

2.3.3 Sensor Suhu

Menurut Bestariyan (2010), sensor suhu yang dimaksud menggunakan serat

optik berstruktur singlemode-multimode-singlemode dan optical time domain

reflectometer (OTDR). Struktur serat optik singlemode-multimode-singlemode

memiliki perkembangan untuk berbagai macam aplikasi sensor. Selain itu, serat

optik termasuk murah dan fabrikasinya mudah. OTDR berguna sebagai alat

monitoring yang portable dan mudah pengoperasiannya.

Sensor suhu dapat bekerja dengan baik untuk setiap panjang serat optik

multimode 5, 6, 7, dan 8 cm dengan panjang gelombang 1310 dan 1550 nm.

Performansi terbaik untuk tiap penggunaan panjang gelombang :

a. Panjang gelombang 1310 nm : panjang serat optik multimode graded index 5

cm dengan sensitivitas 0,06696 dB/°C, linearitas 0,978835, resolusi 1,49x10-

2 °C dan hysteresis 7,18 %.

b. Panjang gelombang 1550 nm : panjang serat optik multimode graded index 5

cm dengan sensitivitas 0,01683 dB/°C, linearitas 0,977525, resolusi 5,94x10-

2 °C dan hysteresis 1,986 %.

2.3.4 Sistem Pengukuran Gejala Fisis Longsor

Prediksi tanah longsor dilakukan dengan megukur 3 variabel penting yaitu

kadar air, pergeseran permukaan tanah dan strain tanah. Pengukuran dilakukan

dengan membuat 3 sensor utama sistem pembacaan dan transmisi data dari lokasi

ke statsium monitoring / pos pengamatan.

Dalam analisisnya menggunakan extensometer opis. Sistem extensometer

optis komersial umumnya terdiri atas sistem sensor yang diinstal dimedan

pengamatan dan tersambung dengan kabel serat optik sebagai serat masukan dan

serat keluaran (lead-in/lead out) serta sistem elektronik terdiri atas sumber cahaya,

sistem deteksi serta sistem pengolahan dan pembacaan data yang berlokasi jauh

dari sistem sensor dan bisa mencapai jarak beberapa kilometer. Sistem pembacaan

data bisa berbasis intensitas cahaya yang diubah sebagai tegangan atau arus; atau

bisa juga berbasis frekuensi cahaya. (Widiyatmoko, 2010).

2.3.5 Sensor Kelembaban

Sensor menggunakan serat optik dengan Cladding gelatin. Polimer seperti

gelatin membengkak karena air mengisi rongga-rongga pada polimer (diameter

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

indeks bias polimer akan mendekati indeks bias air. Gelatin memiliki pori yang

relatif lebih besar dibandingkan polimer-polimer sintesis. Perubahan sifat optik

(indeks bias) polimer gelatin ketika menyerap uap air dapat dimanfaatkan sebagai

material sensor kelembaban optik. Dalam makalah ini gelatin digunakan sebagai

cladding pengganti bagi serat optik untuk aplikasi probe sensor kelembaban relatif

(RH).

Prinsip kerja sensor kelembaban serat optik ini didasarkan pada fenomena

absorpsi gelombang evanescent pada antarmuka inti serat optik dan cladding

gelatin. Perubahan nilai indeks bias cladding gelatin akan menentukan besarnya

intensitas gelombang evanescent yang terserap, sehingga juga menentukan

intensitas gelombang optik yang terpandu atau ditransmisikan melalui inti serat

optik.

Gambar 2.6 Set-up pengujian respon kelembaban

Data yang diambil dalam pengukuran ini adalah spektrum intensitas

transmisi serat optik. Pertama-tama, data transmisi diambil sebelum serat optik

dilapisi gelatin untuk mendapatkan nilai transmisi acuan (referensi). Transmisi

referensi ini digunakan untuk membandingkan nilai intensitas transmisi cahaya

yang melewati sensor serat optik akibat adanya perlakuan kelembaban.

Lapisan gelatin dapat merespon perubahan kelembaban udara melalui

fenomena swelling ketika menyerap uap air. Daerah respon optik gelatin diketahui

pada spektrum hijau hingga merah (500 nm - 700 nm), dengan respon signifikan

pada pita merah (600 nm - 650 nm). Probe sensor kelembaban serat optik ini

dapat merespon kelembaban dari 42 %R hingga 99%H dengan respon terbaik

pada rentang kelembaban 60%RH hingga 72%R. Sensitivitas probe sensor serat

optik dipengaruhi oleh ketebalan lapisan cladding gelatin, dimana probe dengan

lapisan cladding gelatin lebih tipis memiliki sensitivitas lebih baik karena proses

swelling lebih optimal pada lapisan yang lebih tipis (Maddu, 2006).

BAB 3. PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Beberapa kesimpulan yang diperoleh setelah melakukan pengkajian

mengenai serat oprik sebagai sensor diantaranya:

1. Sensor merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mendeteksi

adanya perubahan parameter tertentu seperti fisik dan kimia.

2. Serat optik merupakan media pandu gelombang (cahaya) yang bekerja

berdasarkan adanya efek pantulan sempurna karena adanya perbedaan

indeks bias bahan yang cukup besar.

3. Serat optik dapat digunakan untuk berbagai macam sensor seperti sensor

pergeseran, sensor pengukuran berat beban, sensor suhu, sensor gejala

fisis longsor, dan sensor kelembaban.

3.2 Saran

Dari beberapa ulasan yang telah dibahas mengenai penggunaan serat optik

sebagai sensor, diharapkan mempelajari lebih lanjut tentang serat optik. Seperti

kegunaan serat optik sebagai sensor lebih baik diulas lebih detail sehingga dapat

mengembangkan teknologi berbasis serat optik dengan lebih baik. Dengan

demikian, teknologi Indonesia dapat berkembang lebih pesat.

DAFTAR PUSTAKA

Bestariyan, T. 2011. Rancang Bangun Sensor Suhu Menggunakan Serat Optik

Berstruktur Singlemode-Multimode-Singlemode dan Optical Time Domain

Reflectometer. Surabaya: ITS.

Maddu, A. 2006. Pengembangan Probe Sensor Kelembaban Serat Optik dengan

Cladding Gelatin. Makara, Teknologi, Vol. 10, No. 1, April 2006: 45-50.

Pramono, Y. 2008. Aplikasi Directional Coupler Serat Optik sebagai Sensor

Pergeseran. Surabaya: ITS.

Setiono, A. 2013. Investigasi Sensor Serat Optik untuk Aplikasi Sistem

Pengukuran Berat Beban Berjalan (Weight in Motion System). Banten:

Pusat penelitian Fisika-LIPI.

Widiyatmiko, B. 2010. Pengembangan Sistem Pengukuran Gejala Fisis Longsor

Sistem Elektronik dan Optik. Banten: Pusat penelitian Fisika-LIPI.