Pembuatan Alat Ukur Pola Distribusi Intensitas Difraksi ...
Transcript of Pembuatan Alat Ukur Pola Distribusi Intensitas Difraksi ...
Pembuatan Alat Ukur Pola Distribusi Intensitas Difraksi Cahaya
Berbasis Mikrokontroller
Akhmad Yuniar, Prawito
Departemen Fisika –Instrumentasi, FMIPA UI, Kampus UI Depok, 16424
[email protected], [email protected]
Abstrak
Dalam penelitian ini, telah dibuat sebuah alat ukur yang dapat mengukur pola distribusi intensitas
cahaya. Dengan memanfaatkan fenomena sifat cahaya, penulis ingin mengetahui besar nilai pola distribusi
intensitas difraksi pada cahaya laser yang melewati kisi difraksi. Melalui sensor OPT101 akan terukur sinyal
listrik yang nantinya akan dihubungkan ke mikrokontroler. Kemudian alat ini akan dihubungkan dengan
komputer menggunakan standar komunikasi serial. Mikrokontroler diprogram menggunakan piranti lunak
Bascom AVR, sedangkan komputer digunakan untuk menampilkan hasil pengukuran diprogram dengan
menggunakan LabVIEW National-Instrument.
Kata kunci : difraksi cahaya, sensor OPT101, mikrokontroler, LabVIEW
Abstract
In this experiment, has created a measuring instrument which can measure light intensity distribution
pattern. By exploiting the phenomenon of the nature of light, the author would like to know the value of the
intensity distribution of the diffraction pattern on laser light that passes through a diffraction grating. Through
sensors will OPT101 measurable electrical signal which will be connected to the microcontroller. Then the
device will be connected to the computer using a standard serial communications. Microcontroller is
programmed using software Bascom AVR, while the computer is used to display the measurement results
programmed using LabVIEW National-Instrument.
Keywords: diffraction of light, OPT101 sensor, microcontroller, LabVIEW
1. PENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan
teknologi yang semakin pesat, maka kebutuhan akan
teknologi canggih dan mempermudah manusia dalam
melakukan aktifitasnya akan semakin berkembang.
Selain itu teknologi yang lebih canggih memberikan
kemudahan dalam pengoperasiannya.
Dalam bidang ilmu pengetahuan khususnya fisika,
banyak alat ukur yang digunakan untuk mengukur
suatu besaran fisika, salah satu contohnya adalah kisi
difraksi, alat ini dapat digunakan untuk mengukur
panjang gelombang dan struktur serta intensitas garis-
garis spektrum.[4] Oleh sebab itu, perlu adanya alat
yang dapat mengatasi hal tersebut, sehingga data yang
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
dihasilkan lebih akurat, salah satu contohnya adalah
menggunakan sensor OPT101.
Dengan memanfaatkan fenomena difraksi dan
interferensi, dan dengan memvariasikan jarak antara
layar dan sensor, akan diukur besar intensitas difraksi
cahaya. Besar nilai intensitas yang terbaca sensor
tersebut akan dikonversi oleh mikrokontroler. Pada
mikrokontroler, data tersebut dikonversi dengan
teknik ADC (Analog to Digital Converter), teknik ini
berfungsi untuk mengubah besaran fisika yang terukur
berupa bentuk sinyal listrik analog ke dalam bentuk
digital. Hasil pengukuran sensor akan ditampilkan
melalui sistem akusisi data yaitu LabVIEW. Berikut
merupakan gambar ilustrasi yang dapat menjelaskan
cara kerja alat ukur ini.
Gambar 1 Blok diagram
2. METODE PENELITIAN
Difraksi merupakan pembelokan gelombang disekitar
celah atau halangan tajam yang terjadi apabila
sebagian muka gelombang dipotong oleh halangan
atau rintangan.[4]
Gambar 2 Difraksi cahaya
Alat yang bermanfaat untuk mengukur panjang
gelombang cahaya adalah kisi difraksi, yang terdiri
atas sejumlah besar garis atau celah sejajar yang
berjarak sama pada permukaan datar. Kisi dapat
dibuat dengan memotong alur-alur yang berjarak
sama pada kaca atau pelat logam dengan mesin
penggaris presisi. [4]
Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk
mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik.
OPT101 adalah photodioda monolithic dengan
transimpedans amplifier pada satu chip. Di dalam
sensor OPT101 terdapat fotodioda, op-amp, resistor
internal dan 2 kapasitor. Input sensor berupa intensitas
cahaya, sedangkan output sensor berupa tegangan.
Nilai outputnya linear terhadap intensitas cahaya.
Sedangkan Op-amp berfungsi sebagai penguat
transimpedans yang mengubah arus ke tegangan.
Gambar 3 Sensor OPT101
Perancangan sistem instrumentasi ini terdiri dari
perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak
(software). Perangkat keras terdiri dari semua sistem
elektronika seperti mikrokontroler sebagai pengendali
sistem, sensor OPT101 untuk menghitung besar
intensitas hasil difraksi, driver motor untuk
pengendali kerja Motor DC. Sedangkan perangkat
lunak terdiri atas pemrograman mikrokontroler
Atmega 8535 dengan menggunakan bahasa program
BASCOM-AVR yang dilengkapi dengan komunikasi
serial dan elemen antar-muka (interfacing) antara
mikrokontroler dengan komputer, menggunakan
program LabVIEW. Berikut ini merupakan blok
diagram sistem instrumentasi:
Gambar 4 Blok diagram sistem
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
Gambar 5 Rancangan Alat Eksperimen
Penelitian ini membutuhkan sebuah konstruksi
mekanik yang dapat menunjang pergerakan motor
secara dua dimensi untuk mengukur dua variabel yang
diperlukan dalam penelitian ini. Yang pertama adalah
jarak antara celah dengan posisi sensor sepanjang
sumbu x dan yang kedua adalah besar intensitas
cahaya dari laser, hasil difraksi yang melintang
sepanjang sumbu y.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengambilan data dilakukan dengan mengambil
contoh data dari kisi difraksi dengan lebar celah 100
celah/mm, 300 celah/mm, dan 600 celah/mm. Untuk
mendapatkan variasi data, pengambilan dilakukan
dengan menggunakan jarak yang berbeda-beda.
Adapun untuk mendapatkan nilai distribusi intensitas,
dilakukan pengambilan data tiap 1 cm. Data tersebut
merupakan hasil difraksi cahaya yang keluar dari kisi
difraksi.
a. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100
celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor
= 17 cm.
Gambar 9 Grafik pola distribusi intensitas cahaya
dengan jarak = 17 cm dari kisi
Dengan jarak antara kisi dengan sensor makin telihat
jelas pola distribusi intensitas cahaya nya. Terlihat
titik pada m = 0, dan m = 1, yang menunjukan
perbedaan besar intensitas cahaya nya.
b. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100
celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor
= 19 cm.
Dari grafik distribusi intensitas cahaya yang telihat
pada ploting Labview seperti satu titik yang
berdekatan. Tetapi terlihat nilai intensitas yang
berbeda dengan jarak sebelumnya. Intensitas cahaya
nya lebih kecil, sehingga pola intensitas nya seperti
merata pada beberapa titik tertentu jarak tertentu.
Dapat diakibatkan juga oleh pengambilan data yang
dilakukan oleh sensor, sehingga intensitas maksimum
nya tidak terlihat pada gambar.
Gambar 10 Grafik pola distribusi intensitas cahaya
dengan x = 19 cm
c. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100
celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor
= 21 cm.
Sebagian besar pola distribusi intensitas cahaya yang
telihat pada ploting Labview telihat seperti satu titik
yang berdekatan. Tetapi dengan intensitas cahaya nya
yang relatif sama.
Gambar 11 Grafik pola distribusi intensitas cahaya
dengan x = 21 cm dari kisi
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
d. Hasil percobaan dengan jumlah celah/mm = 100
celah/mm dengan jarak antara kisi dengan sensor
= 23 cm.
Dengan jarak yang makin menjauh antara kisi dengan
sensor terlihat bahwa jarak tiap pengambilan data
sangat berperan dalam penelitian ini. Makin jauh jarak
pengambilan datanya makin tidak terlihat pola
intensitas cahaya yang dihasilkan difraksi dari kisi.
Gambar 13 Grafik pola distribusi intensitas cahaya
dengan x = 23 cm dari kisi
Dari data terlihat dari labview, didapatkan juga data yang lebih lengkap untuk tiap pengambilan data beserta nilai intensitas cahaya nya. a. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100
mm/celah.
Gambar 14 Grafik hubungan jarak dengan intensitas
cahaya pada jarak 23 cm dari kisi
Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas
cahaya pada jarak 23 cm dari layar. Grafik tersebut
menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada
jarak 14 cm dan 18, dengan besar intensitas sebesar 3
Lux.
b. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100
mm/celah
Gambar 15 Grafik hubungan jarak dengan intensitas
cahaya pada jarak 23 cm dari kisi
Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas
cahaya pada jarak 23 cm dari layar. Grafik tersebut
menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada
jarak 16 cm, dengan besar intensitas sebesar 16 Lux.
c. Percobaan dengan kisi, dengan jarak antar kisi 100
mm/celah
Gambar 16 Grafik hubungan jarak dengan intensitas
cahaya pada jarak 21 cm dari kisi
Gambar diatas merupakan pencuplikan data intensitas
cahaya pada jarak 22 cm dari layar. Grafik tersebut
0 1 2 3 4
0 10 20 30 Intensita
s (Lux)
Jarak (cm)
Grafik hubungan antara jarak terhadap intensitas cahaya
Series1
0
2
4
6
0 10 20 30
Intensita
s (Lux)
Jarak (cm)
Grafik hubungan antara jarak terhadap intensitas cahaya
Series1
0 5 10 15 20
0 10 20 30
Intensita
s (Lux)
Jarak (cm)
Grafik hubungan antara jarak terhadap intensitas cahaya
Series1
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
menunjukkan intensitas maksimum terdapat pada
jarak 17 cm, dengan besar intensitas sebesar 4 Lux.
Hasil distribusi intensitas menunjukkan bahwa
intensitas maksimum terdapat pada jarak 17-23 cm
dari sumbu Y, atau bisa dikatakan ditengah sumbu
tersebut. Perbedaan intensitas menunjukkan bahwa
perbedaan titik pengambilan data yang berbeda.
Pengambilan data yang dilakukan tiap 1 cm, dapat
mengakibatkan intensitas maksimum tidak terukur
dengan sempurna. Cahaya laser yang dihasilkan
menunjukkan pola titik, sehingga intensitas
maksimum didapat apabila cahaya tersebut benar-
benar mengenai sensor.
Dari grafik tersebut, dapat dihitung panjang
gelombang laser yang digunakan. Perhitungan dapat
dilakukan dengan menggunakan rumus :
d sin θ = m λ (1)
dengan :
d = jarak antar celah (m)
θ = sudut difraksi
m = orde (0,1,2,3,4,5)
λ = panjang gelombang (m)
Dikarenakan yang diketahui dari penelitian ini hanya
panjang lintasan nya. Persamaan diatas, dapat diganti
menjadi
d b/x = m λ (2)
dengan :
b = jarak dari titik pusat ke pola difraksi
x = jarak layar ke kisi
Dengan menggunakan variabel tersebut, dapat
ditentukan besar λ yang digunakan dalam penelitian
ini:
Lebar kisi d = 1/N N 100 mm
d 0.01 mm d 1.0.E-05 m θ0 5 Lx 17 cm
θ1 4 Lx 19 cm Y 29 cm
X 21 cm λpercobaan 9.523.E-07 m
Dengan λpercobaan = 9.52381.E-07 m, dapat diketahui kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m.
Kes. relatif =λpercobaan − λteori
λteori∗ 100%
Kes. relatif =9.52. E − 07 − 6.5.! − 7
6,5.! − 7∗ 100%
Kes. relatif = 46.52 %
Untuk lebar kisi = 300 mm/celah didapatkan
perhitungan:
Lebar kisi d = 1/N
N 300 mm d 0.0033333 mm d 3.333.E-06 m θ0 17 Lx 16 cm θ1 2 Lx 22 cm Y 29 cm X 23 cm
λpercobaan 8.695.E-07 m
Dengan λpercobaan = 8.69565.E-07 m, dapat diketahui kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m.
Kes. relatif =λpercobaan − λteori
λteori∗ 100%
Kes. relatif =8.695. E − 07 − 6.5.! − 7
6,5.! − 7∗ 100%
Kes. relatif = 33.77 %
Untuk lebar kisi = 600 mm/celah didapatkan perhitungan:
Lebar kisi d = 1/N
N 600 mm d 0.00166667 mm d 1.6667.E-06 m θ0 4 Lx 16 cm
θ1 2 Lx 3 cm Y 29 cm
X 23 cm λpercobaan 9.420.E-07 m
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.
Dengan λpercobaan = 8.69565.E-07 m, dapat diketahui kesalahan relatif yang terjadi. Acuan yang digunakan disini merupakan panjang gelombang sebuah laser sebesar 6.5.E-07 m.
Kes. relatif =λpercobaan − λteori
λteori∗ 100%
Kes. relatif =9.420. E − 07 − 6.5.! − 7
6,5.! − 7∗ 100%
Kes. relatif = 44.92 %
Dengan besar kesalahan yang didapatkan dari
perhitungan, didapatkan kesalahan yang besar, 33.77 -
44,92 %. Angka tersebut didapat dari perbandingan
antara panjang gelombang laser sebesar 6.5E-7.
Besarnya kesalahan yang didapatkan disebabkan oleh
pengambilan data yang dilakukan dengan mengambil
intensitas tiap 1 cm. Intensitas yang akan terukur tidak
menunjukkan titik sesungguhnya dari hasil difraksi
cahaya tersebut.
4. KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat
disimpulkan bahwa :
• Untuk lebar kisi = 100 mm/celah, distribusi
intensitas maksimum yang dihasilkan berkisar antara
3-11 Lux.
• Untuk lebar kisi = 300 mm/celah, distribusi
intensitas maksimum yang dihasilkan berkisar antara
3-51 Lux.
• Untuk lebar kisi = 600 mm/celah, distribusi
intensitas yang dihasilkan berkisar antara 3-13 Lux.
Untuk pengambilan contoh perhitungan distribusi
intensitas cahaya, didapatkan:
• Untuk lebar kisi = 100 mm/celah, panjang
gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan
= 9.52381.E-07, dengan besar kesalahan relatif
sebesar = 46.52 %.
• Untuk lebar kisi = 300 mm/celah, panjang
gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan
= 9.52381.E-07, dengan besar kesalahan relatif
sebesar = 33.77 %.
• Untuk lebar kisi = 600 mm/celah, panjang
gelombang yang didapatkan dari penelitian = λpercobaan
= 9.42029.E-07, dengan besar kesalahan relatif
sebesar = 44.92 %.
DAFTAR ACUAN
[1]Beiser, Arthur. Konsep Fisika Modern (Houw
Liong, Penerjemah), 3rd Edition. Jakarta: Erlangga.
[2]Jenkins, Francis A. & White, Harvey E.
Fundamental Of Optics.1981. New York: Mc Graw-
Hill Book Company.
[3]Sarojo, Ganijanti Aby.Gelombang dan
Optika.2011. Jakarta:Salemba Teknika.
[4] Tipler, Paul A. Fisika untuk Sains dan Teknik
(Bambang Soegijono, Penerjemah). 3rd Edition,
Cetakan 1. Jakarta: Erlangga.
[5]http://staff.ui.ac.id/internal/040603019/material/D
CMotorPaperandQA.pdf [18 Juni 2012, pukul 10.45
WIB ]
[6]http://digilib.petra.ac.id [19 September 2012, pukul
19.40 WIB)
[7]http://www.scribd.com/doc/95731167/Rotary-
Encoder ( 12 Agustus 2012, pukul 15.50 WIB.)
[8]http://konversi.wordpress.com/2009/06/12/sekilas-
rotary-encoder/
[9] http://fahmizaleeits.wordpress.com
[10]http://www.hvwtech.com/products_view.asp?Pro
ductID=343
[11]http://lab.binus.ac.id/pk/fileforum/sensortranduser
[12] Rachmanto, Arif. Skripsi. Sistem Pengukur
Panjang Fokus Lensa Cekung Berbasis
Mikrokontroler.Depok: Perpustakaan Fisika UI.
[13]Asmoro, Vani Ardi. Skripsi. Sistem Detektor Pola
Cincin Difraksi Untuk Menentukan Diameter Celah
Sirkular Berbasis Mikrokontroler. Depok:
Perpustakaan Fisika UI.
[14] Iskandar, Nur Ilham. Skripsi. Alat Ukur Panjang
Gelombang Cahaya Tampak dengan Metode Kisi
Difraksi. Depok: Perpustakaan Fisika UI.
Pembuatan alat..., Akhmad Yuniar, FMIPA UI, 2013.