FULL-Studi Awal Pembuatan Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik

276
Intan Fitalia / Studi Awal Pembuatan Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik
Studi Awal Pembuatan Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik
Intan Fitalia, Edi Prasetyo, Ahmad Marzuki
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret
Jl. Ir. Sutami No.36A Surakarta, 57126
[email protected]
Abstrak – Penelitian sensor putaran berbasis fiber optik telah dilakukan menggunakan konfigurasi pemantulan. Sistem
serat optik dibuat dengan dua buah fiber berjenis Plastic Optical Fiber (POF) berdiameter 0,5 mm. Salah satu ujung
dari kedua buah fiber dihadapkan tegak lurus reflector yang diletakkan pada pembangkit getaran. Fiber pertama
berfungsi sebagai transmitter yang mentransmisikan cahaya dari sumber menuju reflector. Fiber kedua berfungsi
sebagai receiver yang menangkap pantulan cahaya fiber tansmitter oleh reflector untuk diteruskan menuju detektor.
Sensor bekerja dengan prinsip perubahan intensitas yang ditangkap fiber receiver ketika reflector mengalami putaran.
Sumber cahaya yang digunakan berupa Light Emitting Diode (LED) dan Light Dependent Resistor (LDR) digunakan
sebagai sensor cahaya. Variasi dilakukan pada tegangan masukan pembangkit putaran dan jarak pokok fiber - reflector.
Hasil penelitian menunjukkan adanya pola khas yang terbentuk dari keluaran sensor. Semakin besar tegangan masukan
maka frekuensi semakin tinggi, sedangkan semakin jauh jarak pokok fiber – reflector maka intensitas pantulan semakin
rendah.
Kata kunci: fiber optik, putaran, pemantulan, frekuensi.
Abstract – Experimental analysis of a rotational optical fiber sensor based on reflection method is presented. The sensor
system comprises two strands of Plastic Optical Fiber (POF) each with diameter of 0,5mm. One transmits light to a
reflector and another is used as a receiver. To see if the sensor works, the input voltage drives the rotational object was
varied so that different rotational speed was obtained. It is observed that the developped fiber sensor can distinguish
different rotational speed, i.e, as the input voltage increase the sensor can show the increase of rotational..
Key words: Optical fiber, rotating motion, reflection, frequency.
I. PENDAHULUAN
Peristiwa rotasi merupakan fenomena yang sering
terjadi. Pemantauan rotasi penting dilakukan, seperti pada
mesin kendaraan yang bergerak rotasional, poros mesin,
katrol, dan perpindahan angular pada belt drive. Sensor
rotasi digunakan untuk mengukur besar rpm, kecepatan
angular, dan perpindahan angular [1].
Pada mesin yang bergerak rotasi sering terjadi
ketidaksesuaian poros rotasi yang mengakibatkan
timbulnya getaran tertentu sehingga frekuensi rotasi yang
dihasilkan tidak sesuai [2]. Oleh sebab itu pengukuran
level getaran pada mesin yang bergerak rotasi sangat
penting dilakukan [3].
Perkembangan fiber optik yang pesat menyebabkan
aplikasi fiber optik saat ini tidak hanya dimanfaatkan
sebagai media transmisi tetapi juga sebagai sensor. Fiber
optik dapat diaplikasikan untuk pengukuran beragam
parameter, seperti sensor pergeseran, suhu, tekanan,
kelembaban, laju aliran fluida, laju rotasi, konsentrasi
suatu zat, medan listrik, medan magnet, serta analisis
kimia [4]. Dengan kelebihan seperti ukuran yang kecil
dan ringan, kekebalan terhadap tegangan tinggi, serta
mampu melakukan pengukuran jarak jauh dengan orde
km, sensor berbasis fiber optik mampu menanggulangi
kelemahan sensor elektronik [5]. Sensor berbasis fiber
optik memiliki banyak keunggulan dibandingan dengan
sensor jenis lain seperti sensitivitas tinggi, respon cepat,
tahan terhadap interferensi elektromagnetik, tahan korosi,
lentur, insulasi arus listrik, dan mudah dihubungkan
dengan komputer [6].
Sensor fiber optik diklasifikasikan menjadi empat jenis
berdasarkan sifat cahaya yang dimodulasi yakni,
modulasi amplitudo (intensitas), frekuensi, polarisasi, dan
fase (interferometri). Sensor modulasi intensitas lebih
sederhana dan tidak banyak memerlukan interface,
apabila dibandingkan dengan sensor dengan modulasi
yang lain [7]. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat
sensor rotasi berbasis fiber optik modulasi intensitas
dengan konfigurasi pemantulan.
II. METODE PENELITIAN
Gambar 1 merupakan diagram eksperimen sensor
putaran berbasis fiber optik. Fiber optik yang digunakan
adalah tipe Plastic Optical Fiber (POF) berdiameter
0,5mm. Dengan sumber cahaya berupa Light Emitting
Doide (LED) dan detektor cahaya berupa Light
Dependent Resistor (LDR).
Cahaya dari sumber dimasukkan ke dalam fiber optik.
Fiber optik membawa cahaya menuju bidang putar, di
sini cahaya akan dipantulkan oleh reflector yang
ditempatkan pada bidang putar. Pantulan cahaya dari
reflector akan ditangkap oleh fiber optik receiver. Cahaya
yang keluar dari fiber kemudian dideteksi oleh detektor.
Data analog dari detektor diubah menjadi data digital dan
dikirim menuju komputer melalui interface untuk diolah.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Intan Fitalia / Studi Awal Pembuatan Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik
277
Gambar 1. Diagram eksperimen sensor putaran berbasis fiber
optik (1.Sumber Cahaya, 2a. Fiber Transmitter , 2b.
Fiber Receiver, 3. Reflector, 4. Sumber Putaran, 5.
Detektor, 6. Kabel Penghubung, 7. Interface, 8.
Komputer).
Penggunaan fiber optik jenis polimer dikarenakan fiber
optik jenis ini mempunyai kemampuan tinggi dalam
transmisi cahaya [8]. Ketika cahaya mengenai reflector
yang diletakkan pada bidang pantul, maka cahaya
tersebut akan dipantulkan dan ketika cahaya mengenai
daerah nonreflector maka tidak ada cahaya yang
dipantulkan. Ada dan tidaknya cahaya yang ditangkap
oleh fiber receiver akan mempengaruhi besar intensitas
yang dideteksi oleh detektor. Gambar 2 merupakan
peristiwa pemantulan pada daerah reflector dan
nonreflector.
Piranti interface (Gambar 3) yang digunakan dalam
penelitian ini adalah Arduino-Uno yang dihubungkan
dengan detektor dan komputer. Komputer disini berperan
penting sebagai kendali pengambilan data.
Pengambilan dan pengolahan data menggunakan
Program Labview dengan tampilan seperti pada gambar
4. Program ini berfungsi untuk mengambil data dari
detektor melalui interface, menampilkan data dan
mengolah data untuk mengubah domain waktu menjadi
domain frekuensi.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 5 merupakan hasil pengambilan data intensitas
ketika fiber optik mengenai daerah reflector dan
nonreflector dalam keadaan sumber putaran tanpa
tegangan (diam). Intensitas cahaya mengalami penurunan
ketika fiber optik mengenai daerah nonreflector, hal ini
disebabkan karena sedikit cahaya pantulan yang
ditangkap oleh fiber receiver ketika mengenai daerah
tersebut.
Sumber putaran akan bergerak rotasi ketika diberikan
tegangan, hal ini mengakibatkan reflector yang
diletakkan pada bidang putar bergerak sesuai dengan
sumber putaran. Gerakan reflector ini akan menyebabkan
perubahan daerah pantul secara periodik sehingga
intensitas yang dideteksi oleh detektor juga berubah
secara periodik (Gambar 6).
Gelombang harmonik dihasilkan dari superposisi
gelombang harmonik dengan frekuensi yang sama, akan
tetapi ketika superposisi terjadi pada gelombang dengan
frekuensi berbeda akan menghasilkan gelombang
periodik namun tidak harmonik. Untuk mengetahui
frekuensi putaran perlu dilakukan dekomposisi
gelombang menjadi komponen-komponen harmonik
dengan menggunakan Transformasi Fourier pada
persamaan (1) [9].
600
b.
Gambar 2. Peristiwa pemantulan pada daerah a. reflector dan
b. Non reflector.
500
intensity (mV)
a.
Gambar 4. Tampilan program sensor putaran.
400
300
200
100
0
2
4
6
8
10
time (s)
Gambar 5. Grafik intensitas versus waktu (sumber putar diam).
Gambar 3. Rangkaian Interface.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
278
Intan Fitalia / Studi Awal Pembuatan Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik
nilai kecepatan putar seiring penambahan tegangan yang
diberikan. Hal ini menunjukkan bahwa alat yang dibuat
sudah bekerja.
Pengujian alat juga dilakukan pada spin coater dengan
melakukan variasi putaran spin coater. Hasil
pengambilan data pada spin coater (Tabel 1)
menunjukkan bahwa putaran yang dihasilkan oleh spin
coater bersifat fluktuatif. Terbukti dengan munculnya
beberapa nilai frekuensi yang tertera pada layar display
spin coater saat dilakukan pemposisian kecepatan putar
pada satu nilai tertentu. Ketidakseragaman nilai frekuensi
ini juga terdeteksi oleh alat yang dibuat dalam penelitian
ini.
Hasil pengukuran yang ditunjukkan oleh display pada
spin coater ternyata berbeda dengan yang dihasilkan dari
eksperimen. Namun demikian trend naik turunnya adalah
sama. Dari eksperimen ini belum dapat diketahui mana
hasil yang benar. Terlepas dari masalah kalibrasi, hasil di
atas menunjukkan bahwa sensor telah bekerja.
intensity (mV)
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
time (s)
Gambar 6. Grafik intensitas versus waktu (sumber putar
bergerak).
(1)
di mana,
900
adalah fungsi yang dibatasi oleh periode
adalah
kecepatan
sudut
di
mana
[9].
Dalam penelitian ini proses Transformasi Fourier
dilakukan dengan menggunakan Program Labview yang
telah dibuat. Gambar 7 merupakan hasil grafik kecepatan
putaran dari domain waktu pada Gambar 6.
Program yang telah dibuat bekerja dengan prinsip
pemisahan gelombang berdasarkan periode gelombang
sehingga dapat diketahui nilai frekuensi yang muncul,
Grafik kecepatan putar pada Gambar 7 mengindikasikan
adanya beberapa nilai yang muncul, namun hanya
terdapat satu nilai kecepatan putar yang dominan.
kecepatan putar (rpm)
800
dengan
dan
700
600
500
400
300
200
100
2
4
6
8
10
tegangan (volt)
12
Gambar 8. Grafik tegangan versus kecepatan putar.
Tabel 1. Hasil pengambilan data spin coater.
80
No
70
Amplitude (%)
60
1.
50
Kecepatan putar
pada layar spin
coater (rpm)
680
690
40
2.
30
20
3.
10
0
0
500
730
750
790
790
800
810
Kecepatan putar alat
(sensor putaran) (rpm)
1110
1050
1530
1110
1230
1530
1290
1530
1350
1000 1500 2000 2500 3000
rotational speed (rpm)
Gambar 7. Grafik fungsi kecepatan putar versus amplitudo.
Untuk menguji kinerja alat, fiber sensor digunakan
untuk menghitung frekuensi putar yang frekuensinya
dikendalikan sebagai pemberian tegangan masukan yang
berbeda. Seperti telah diketahui bahwa apabila tegangan
masukan pada motor listrik ditambah maka dapat
diharapkan adanya penambahan frekuensi putar. Hasil
pengambilan data (Gambar 8) menunjukkan kenaikan
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang
telah dijelaskan, maka dapat disimpulkan bahwa fiber
optik konfigurasi pemantulan dengan modulasi intensitas
dapat digunakan sebagai sensor putaran dengan
performansi cukup baik. Performansi sensor dapat
ditingkatkan dengan mengetahui kondisi optimum jarak
pokok fiber-reflector sehingga intensitas cahaya pantulan
yang ditangkap fiber receiver lebih besar.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Intan Fitalia / Studi Awal Pembuatan Sensor Putaran Berbasis Fiber Optik
PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
279
TANYA JAWAB
C. A. Greening, All-Fiber Vibration Sensor For Steel
Industry, Thesis, Department of Engineering Physics, Mc
Master University, 2009.
H. Jinyama, The latest technology and trends for
vibrational diagnostics and rotary machinery, Inspection
Engineering, vol. 17, no. 3, , pp. 29-35, 2012.
H.
Tsuda, E. Sato, T. Nakajima, dan A. Sato,
Development of fiber optic broadband vibration detection
system, Synthesiology, vol. 6, no. 1, pp.45-54, 2013.
H. P. Yono & A.Y. Rohedi, Aplikasi directional coupler
serat optik sebagai sensor pergeseran. Jurnal Fisika dan
Aplikasinya, vol. 4, no. 2, pp. 080204-1-080204-4, 1990.
I. Lujo, P. Klokoc, T. Komljenovic, M. Bosiljevac, & Z.
Sipus, Fiber-optic vibration sensor based on multimode
fiber, Radioengineering, vol. 17, no. 2, 2008.
S. Shenghe, Development trend of modern sensor. Journal
of Electronic Measurement and Instrument, vol. 23, no. 1,
pp. 1-10, 2009
C. Yeh, Handbook of Fiber Optics: Theory and
Application, Michigan: Academic Press Inc, Ann Arbor,
1990.
S. Binu, V. P. M. Pillai, dan N. Chandrasekaran, Fibre
optic displacement sensor for the measurement of
amplitude and frequency of vibration, Optics & Laser
Technology, vol. 39, pp. 1537-1543, 2007.
F. L. Pedrotti, L. S. Pedrotti, Introduction to Optics, 2nd
Edition, New Jersey : Prentice-Hall International,
Inc,1993.
Anwar Soefi Ibrahim, UI
? Jenis fiber yang digunakan dan alasannya?
Intan Fitalia, UNS
@ Fiber yang digunakan adalah jenis multimode (PoF
0,5mm) dikarenakan pada fiber singlemode akan sangat
susah untuk memasukkan cahaya dari reflektor menuju
fiber receiver.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823