otdr - Digilib ITS - Institut Teknologi Sepuluh Nopember

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.
Konfigurasikonfigurasi 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.
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.
(b
(a)
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 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
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.
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
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.
Dari 4 benda uji coba coba yang telah diberi
perlakuan beban, hasilnya adalah sebagai berikut
ini,
Benda Uji 1 Model 1
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 Optik Untuk
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)
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
0
1.075
100
1.094
200
1.125
300
1.134
0
1.613
400
1.142
250
1.521
500
1.138
500
1.51
600
1.138
1000
1.435
700
1.167
2000
1.4
1.201
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
800
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.
Beban (kg)
2p Loss (dB)
7000
9000
11000
13000
15000
17000
19000
21000
23000
25000
27000
29000
30000
1.376
1.377
1.386
1.387
1.375
1.373
1.372
1.372
1.361
1.354
1.35
1.351
1.349
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 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.
Gambar 10: Grafik Pengukuran Kinerja Serat Optik
Pada 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
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.