perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id 34 BAB III METODE

perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1.
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian mengenai pembuatan sensor putaran berbasis serat optik
dilakukan di Laboratorium Optik dan Fotonik serta Laboratorium Bengkel
Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret. Waktu pelaksanaan
penelitian ditempuh selama tujuh bulan mulai dari bulan November 2013 sampai
dengan Mei 2014.
3.2.
Alat dan Bahan yang Digunakan
Perangkat sensor putaran berbasis serat optik terdiri dari beberapa bagian
utama yakni sumber cahaya, serat optik, sistem mekanik putaran, interface, dan
detektor. Gambar 3.1 merupakan skema dari rangkaian sensor putaran berbasis
serat optik.
Gambar 3.1. Skema rangkaian sensor putaran berbasis serat optik, 1. Sumber
cahaya, 2a. Transmitter Fiber, 2b. Receiver Fiber, 3. Reflector, 4. Sumber
putaran, 5. Detektor, 6. Kabel penghubung, 7. Interface, 8. Komputer
Cahaya dari sumber dimasukkan ke dalam serat optik. Serat optik membawa
cahaya menuju bidang putar, cahaya akan dipantulkan oleh reflector yang
ditempatkan pada bidang putar. Pantulan cahaya dari reflector akan ditangkap
oleh serat optik receiver. Cahaya yang keluar dari serat optik kemudian dideteksi
oleh detektor. Data analog dari detektor diubah menjadi data digital dan dikirim
menuju komputer melalui interface untuk diolah. Dalam penelitian ini digunakan
konfigurasi pemantulan untuk mendeteksi perubahan putaran. Alat dan bahan
34
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
35
yang digunakan dalam pembuatan sensor putaran berbasis serat optik adalah
sebagai berikut:
3.2.1.
Alat yang Digunakan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
a.
Sumber cahaya
Sumber cahaya yang digunakan dalam penelitian ini adalah Light Emitting
Diode (LED). Terdapat lima variasi warna LED yang diuji sebelum dijadikan
sumber cahaya, yaitu warna putih, merah, biru, ungu, dan orange.
b.
Detektor
Detektor yang dipakai dalam penelitian ini adalah LDR (Light Dependent
Resistor).
c.
Pembangkit putaran.
Pembangkit getaran yang digunakan dalam penelitian ini adalah motor DC
12 Volt 2400 rpm.
d.
Power Supply
Power Supply digunakan sebagai sumber tegangan pada pembangkit
putaran.
e.
Adaptor
Adaptor digunakan sebagai sumber tegangan pada light source dengan
tegangan 12 V.
f.
Multimeter
Multimeter yang digunakan merupakan jenis multimeter analog.
g.
Arduino-UNO
Piranti interface yang digunakan dalam penelitian ini berupa Arduino-UNO.
Interface dihubungkan dengan detektor dan komputer.
3.2.2.
Bahan yang Digunakan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:
perpustakaan.uns.ac.id
a.
digilib.uns.ac.id
36
Serat optik
Serat optik yang digunakan adalah Plastic Optical Fiber (POF) berbahan
polimer jenis multimode dengan diameter 0,5 mm.
b.
Reflector
Jenis reflector yang dipilih dalam penelitian ini adalah allumunium foil
karena mampu memantulkan cahaya dengan baik dan memiliki ketebalan yang
sesuai yakni tidak memberikan dampak perubahan intensitas akibat beda
ketebalan.
c.
Komponen elektronika pendukung
Komponen elektronika pendukung yang digunakan seperti:
1) Light Dependent Resistor (LDR),
2) Kabel penghubung,
3) Resistor
.
4) Kapasitor
.
5) Variable resistor
3.2.3.
Software Penunjang
a.
Origin 8
Software Origin 8 digunakan untuk melakukan pengolahan data dan plotting
grafik. Data hasil akuisisi dalam bentuk format file.xls diolah lebih lanjut dan
ditampilkan dalam bentuk grafik menggunakan software ini.
b.
LabView 2013
Software LabView 2013 digunakan untuk membuat program utama yang
berfungsi untuk akuisisi data, menampilkan data, dan pengolahan data. Akuisisi
data yang dimaksud adalah pengambilan data digital dari interface menuju
komputer untuk diolah. Data tersebut kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik.
Pengolahan data dalam program ini adalah mengubah grafik dalam domain waktu
ke dalam domain frekuensi. Pengontrolan dalam pengambilan data juga dilakukan
menggunakan program ini termasuk lama delay pengambilan data.
perpustakaan.uns.ac.id
c.
digilib.uns.ac.id
37
Microsoft Excel
Microsoft Excel digunakan sebagai tempat menyimpan data yang diperoleh
dari program LabView. Semua grafik yang diperoleh dari pengambilan data
dalam program LabView dapat diexport ke dalam format excel sehingga lebih
mudah untuk disimpan dan diolah lebih lanjut.
3.3.
Prosedur Penelitian
Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Terdapat dua bagian utama
dalam penelitian ini yakni pembuatan alat sensor putaran dan pengambilan data.
Gambar 3.2 merupakan diagram alir penelitian:
Penyiapan alat dan bahan
Pembuatan sensor putaran:
1. Rancangan sistem serat optik:
2. Pembangkit putaran
3. Light Source
4. Detector
5. Interface
6. Pembuatan program dengan Labview
Pengujian masing-masing komponen
Set up alat
Pengambilan data
Analisa data
Kesimpulan
Gambar 3.2. Diagram alir penelitian
perpustakaan.uns.ac.id
3.3.1.
digilib.uns.ac.id
38
Penyiapan Alat dan Bahan.
Persiapan alat dan bahan merupakan langkah awal dalam penelitian ini.
Persiapan alat meliputi semua alat yang akan digunakan dalam pembuatan sensor
putaran, baik alat elektronik maupun alat pendukung seperti gunting, bor, gerinda,
obeng, penggaris, cutter, minidrill, jangka, busur derajat, jangka sorong, PCB, dll.
Persiapan bahan meliputi bahan-bahan utama seperti serat optik, allumunium foil,
double tape, selotip, lem, akrilik, dll.
3.3.2.
Pembuatan Sensor Putaran
3.3.2.1. Rancangan Sistem Serat Optik
Sistem serat optik yang dimaksud dalam penelitian ini adalah proses
jalannya cahaya dari sumber cahaya sampai pada detektor. Cahaya dari sumber
cahaya masuk ke dalam transmitter fiber. Cahaya dari transmitter fiber dibawa
menuju bidang putar. Pada bidang putar diletakkan reflector yang akan
memantulkan cahaya dan ditangkap oleh receiver fiber. Cahaya yang keluar dari
serat optik kemudian dideteksi oleh detektor. Gambar 3.3 merupakan gambar
sistem serat optik.
Gambar 3.3. Sistem serat optik, Di mana: 1. Sumber cahaya, 2. Transmitter Fiber,
3. Sumber putaran, 4. Reflector, 5. Receiver Fiber, 6. Detektor
3.3.2.2. Pembangkit Putaran
Pembangkit putaran berupa motor DC 12 volt 2400 rpm. Motor
dihubungkan dengan Power Supply sebagai sumber tegangan. Besar tegangan
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
39
yang masuk pada motor diukur dengan menggunakan multimeter. Gambar 3.4
merupakan skema pembuatan pembangkit putaran.
Gambar 3.4. Skema pembangkit putaran.
Sistem mekanik putaran (Gambar 3.5) merupakan bagian yang berperan
sebagai penghubung putaran dengan sensor serat optik. Sistem mekanik putaran
terdiri dari tiga bagian utama yakni, sumber putaran, sumber tegangan, dan
reflector.
Gambar 3.5. Skema sistem mekanik konfigurasi pemantulan.
Pada sumber putaran digunakan motor DC sebagai pembangkit putaran.
Sumber tegangan berupa power supply dan digunakan allumunium foil sebagai
reflector. Reflector diletakkan pada sebuah piringan (bidang putar) yang dipasang
pada poros motor DC. Ketika motor diberikan tegangan maka piringan akan ikut
berputar.
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
40
3.3.2.3. Light Source
Light source dibuat dengan menggunakan 3 komponen utama yakni, Light
Emitting Diode (LED), resistor, dan adaptor sebagai sumber tegangan. Gambar
3.7 merupakan rangkaian pembuatan light source.
Gambar 3.6. Skema sangkaian Light Source
3.3.2.4. Detektor
Detektor
dibuat
dengan
menggunakan
prinsip
pembagi
tegangan.
Komponen utama dalam pembuatan detektor adalah Light Dependent Resistor
(LDR) sebagai sensor cahaya, variable resistor, dan kapasitor. Gambar 3.7
merupakan skema rangkaian detektor.
Gambar 3.7. Rangkaian detektor pembagi tegangan.
3.3.2.5. Interface.
Interface merupakan perangkat antarmuka untuk menghubungkan detektor
dengan komputer di mana data analog dari detektor diubah menjadi data digital
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
41
sehingga dapat terbaca oleh komputer. Perangkat interface yang digunakan dalam
penelitian ini berupa Arduino Uno. Gambar 3.8 merupakan rangkaian interface
yang terhubung dengan detektor dan komputer. Agar interface dapat bekerja dan
mampu menjalankan perintah dari komputer maka perlu dilakukan pemrograman
pada arduino. Program pada arduino juga berfungsi untuk mengontrol besarnya
delay dalam pengambilan data.
Gambar 3.8. Rangkaian Interface.
3.3.2.6. Pembuatan Program
Perangkat lunak dalam penelitian ini dibedakan menjadi dua yakni program
untuk akuisisi data pada antarmuka dan program untuk sensor putaran. Program
akuisisi data pada antarmuka berfungsi untuk mengambil data dari detektor,
mengubah data analog menjadi digital, dan mengirimkan data menuju komputer.
Program akuisisi data pada antarmuka dibuat dengan menggunakan software
Arduino untuk kemudian dimasukkan ke dalam antarmuka. Berikut merupakan
listing program akuisisi data pada antarmuka arduino Uno.
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
Serial.begin( );}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
int ldr=analogRead(0);
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
42
//Serial.write(highByte(ldr));
//Serial.write(lowByte(ldr));
Serial.println(ldr);
delay( );
delaymicroseconds( );}
Perangkat lunak selanjutnya adalah program pengukuran frekuensi putaran
yang dibuat dengan software
LabView.
Program
ini berfungsi untuk
pengoperasian dalam akuisisi data, menampilkan grafik fungsi waktu dan
tegangan serta melakukan pengolahan data untuk mengubah grafik dalam domain
waktu ke dalam domain frekuensi atau operasi Fast Fourier Transform yang
sudah dijelaskan pada BAB II dan menampilkan grafik fungsi frekuensi dan
amplitudo. Gambar 3.9 merupakan flowchart dari program sensor putaran.
Gambar 3.10 merupakan tampilan front panel dari program pengukuran
frekuensi putar. Block diagram program pengukuran frekuensi putaran dapat
dilihat pada LAMPIRAN 11. Sebelum melakukan running terlebih dahulu
dilakukan pemilihan port yang cocok dengan port yang terhubung dengan
antarmuka, kemudian pengisian delay pengambilan data. Setelah dilakukan
running program, maka data yang diambil dari antarmuka ditampilkan dalam
bentuk grafik tegangan (mV) dan waktu (s).
Operasi Fast Fourier Transform dilakukan dengan membagi dua grafik
fungsi waktu yang berbentuk sinusoidal, sehingga didapatkan titik tengah dari
satu gelombang. Program kemudian merekam data waktu pembentukan setiap
gelombang. Setelah data waktu didapatkan kemudian dilakukan pengelompokkan
data berdasarkan waktu pembentukan satu gelombang yang sama. Dengan
membalik nilai waktu pembentukan satu gelombang maka akan diperoleh nilai
frekuensi, sehingga sekarang sudah terkelompokkan data-data dengan frekuensi
yang sama.
Hasil pengelompokkan nilai frekuensi kemudian ditampilkan dalam bentuk
histogram dengan sumbu x berupa frekuensi (Hz) dan sumbu y berupa amplitudo
(%). Amplitudo menunjukkan berapa prosentase frekuensi tersebut dalam grafik
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
43
domain waktu yang sudah direkam. Total dari keseluruhan prosentase adalah
100%. Semua grafik yang ditampilkan dalam program ini dapat diubah ke dalam
format file.xls sehingga akan lebih mudah untuk disimpan dan diolah lebih lanjut.
Start
Masukkan delay dan pilih port
Tampilkan grafik real time
Hitung
frekuensi
Tidak
Ya
Menentukan garis tengah grafik
Tampilkan nilai frekuensi dalam
bentuk histogram
Simpan
data
Tidak
Ya
Export data ke excel
Ya
Menghitug
lagi
Tidak
Stop
Gambar 3.9. Flowchart program.
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
44
Gambar 3.10. Program pengukuran frekuensi putar
3.3.3.
Pengujian Alat
Pengujian alat dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui apakah masing-
masing komponen dapat bekerja dengan baik atau tidak. Pengujian dilakukan
terhadap light source, ADC, reflector, dan detektor. Pengambilan data dapat
dilakukan jika seluruh komponen bekerja dengan baik.
a.
Pengujian Detektor
Untuk memastikan LDR bekerja dengan baik perlu dilakukan pengujian,
yakni dengan memberikan variasi intensitas cahaya yang mengenai LDR. Sumber
cahaya yang digunakan adalah Light Emitting Diode (LED). Variasi intensitas
cahaya dilakukan dengan mengubah tegangan masukan pada sumber cahaya. Agar
intensitas cahaya yang terukur adalah benar intensitas cahaya yang ditangkap oleh
LDR maka cahaya dari LED terlebih dahulu difokuskan dengan menggunakan
lensa cembung agar tepat mengenai LDR.
perpustakaan.uns.ac.id
b.
digilib.uns.ac.id
45
Pengujian Light Source
Sensor berbasis serat optik dengan konfigurasi pemantulan memerlukan
intensitas cahaya yang tinggi dan stabil agar dapat dipantulkan dan ditangkap oleh
receiver fiber dengan baik. Pengujian sumber cahaya yang akan digunakan perlu
dilakukan untuk mendapatkan cahaya dengan intensitas yang baik. Pengujian
dilakukan pada lima buah LED yaitu LED warna merah, biru, putih, ungu, dan
orange. Pengujian dilakukan dengan memberikan variasi tegangan masukan pada
light source dan melihat besar intensitas hasil pantulan. Pada masing-masing LED
dilakukan variasi tegangan masukan dari 3 – 12 Volt.
c.
Pengujian ADC
ADC perlu diuji untuk memastikan bahwa konversi data analog menjadi
digital berlangsung sempurna tanpa gangguan atau tambahan nilai yang tidak
diinginkan. Pengujian ADC dilakukan dengan memberikan tegangan input analog
pada ADC dan mengukur tegangan keluarannya. ADC bekerja dengan baik
apabila tegangan output yang terukur memiliki nilai yang sama atau hampir sama
dengan tegangan input analog.
d.
Pengujian Reflector
Pengujian reflector perlu dilakukan untuk mengetahui perbedaan intensitas
cahaya yang terdeteksi ketika serat optik mengenai daerah reflector dan
nonreflector. Pertama serat optik diposisikan dihadapan daerah reflector
kemudian bidang putar digerakkan secara manual (V input = 0) menuju daerah
nonreflector. Setelah intensitas cahaya pada kedua daerah tersebut terdeteksi
kemudian dilakukan pengukuran terhadap perubahan daerah dihadapan serat optik
secara periodik dengan memberikan tegangan masukan pada sumber putaran.
3.3.4.
Set Up Alat
Setelah semua bagian sensor putaran selesai dibuat dan dilakukan
pengujian, kemudian dilakukan set up alat. Komponen dirangkai sesuai dengan
gambar 3.1.
perpustakaan.uns.ac.id
3.3.5.
digilib.uns.ac.id
46
Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan dengan memutar reflector yang terletak pada
bidang putar. Variasi frekuensi putaran dilakukan dengan mengubah tegangan
yang masuk (driving voltage) pada pembangkit putaran. Variasi juga dilakukan
pada jumlah reflector yang diletakkan pada bidang putar, posisi reflector, ukuran
reflector, serta jarak antara serat optik dengan reflector. Gambar 3.11 sampai
gambar 3.13 merupakan skema dalam variasi pengambilan data.
Gambar 3.11. Skema pengambilan data variasi jumlah reflector
Gambar 3.12. Skema pengambilan data variasi posisi reflector
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
47
Gambar 3.13. Skema pengambilan data variasi ukuran reflector
Gambar 3.14. Skema pengambilan data variasi ketinggian reflector
Detektor akan mendeteksi setiap perubahan intensitas akibat adanya
putaran. Data yang diperoleh berupa data intensitas cahaya dan waktu. Untuk
selanjutnya diolah dan diubah dalam domain frekuensi.
3.3.6.
Analisis
Analisis data dilakukan setelah semua data diperoleh, baik data dalam
domain waktu maupun domain frekuensi. Analisis data dilakukan dengan melihat
pengaruh variasi yang dilakukan terhadap respon sensor, baik pada variasi driving
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
48
voltage, jumlah, jarak, dan posisi reflector. Data yang diperoleh juga dianalisa
berdasarkan teori-teori yang ada. Kinerja sensor dilihat dari sensitifitas sensor
dalam membedakan nilai frekuensi dan juga dengan membandingkan hasil yang
diperoleh dengan sensor putaran lain seperti tachometer. Dalam penelitian ini data
diolah dengan software penunjang yakni Microsoft Excel, LabView dan Origin.
3.3.7.
Simpulan
Penarikan kesimpulan dilakukan setelah pengolahan dan analisa data.
Kesimpulan yang diambil mengacu pada tujuan penelitian berdasarkan analisis
yang telah dilakukan serta memberikan saran untuk perbaikan pada penelitian
selanjutnya.
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
BAB 1V
HASIL DAN PEMBAHASAN
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui hubungan antara driving
voltage dengan bentuk keluaran dari sensor putaran, mengetahui pengaruh jarak
pokok serat optik dengan reflector terhadap sensitifitas sensor, dan mengetahui
pengaruh penambahan jumlah reflector serta posisi reflector terhadap keluaran
sensor putaran. Untuk dapat mencapai tujuan tersebut perlu dibuat seperangkat
alat pendeteksi level putaran.
4.1.
Hasil Pengujian Komponen
Untuk memastikan semua komponen yang telah dibuat dapat bekerja
dengan baik dan layak digunakan, maka perlu dilakukan pengujian pada masingmasing komponen. Pengujian komponen dilakukan pada sumber cahaya, detektor,
reflector dan pada ADC.
4.1.1.
Uji Detektor
Gambar 4.1 merupakan hasil pengujian detektor yang ditampilkan dalam
grafik hubungan intensitas dan tegangan keluaran detektor. Data pengujian
detektor menunjukkan hubungan yang linier antara intensitas cahaya yang
diberikan dengan tegangan keluaran detektor. Ditunjukkan dengan nilai R2 =
0,9887. Nilai R2 yang mendekati 1 membuktikan hubungan kelinieritasan antara
kedua variable, sehingga dapat disimpulkan bahwa detektor yang dibuat dapat
bekerja dengan baik.
Sensor cahaya yang digunakan adalah Light Dependent Resistor (LDR).
LDR merupakan jenis resistor yang nilai hambatannya dipengaruhi oleh intensitas
cahaya yang mengenainya. Ketika intensitas cahaya tinggi, maka hambatan LDR
akan menurun dan ketika dikenai intensitas cahaya yang rendah maka hambatan
LDR akan meningkat. LDR dipilih sebagai sensor cahaya karena memiliki daerah
deteksi yang sesuai dengan sumber cahaya yang digunakan, yakni pada rentang
panjang gelombang cahaya tampak. Sumber cahaya yang digunakan adalah Light
49