Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

RANCANG BANGUN SENSOR BEBAN BERBASIS SERAT OPTIK SINGLEMODE-MULTIMODE-SINGLEMODE MENGGUNAKAN

HIGH DENSITY POLYETHYLENE SEBAGAI MATERIAL PENAHAN BEBAN

Surabaya, 18 Juli 2014

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Sensor beban termasuk SENSOR ELASTIK

(Bentley, 1995).

Sensor beban merupakan elemen yang PENTING

(Zhang, 2007).

BEBAN

Teknologi sensor beban: piezoelectric, bending

plate, load celll (Zhang, 2007).

Kelemahan:

Reliability rendah (Koniditsiotis, 2000)

Memiliki dimensi besar ,

Menggunakan sinyal elektrik sebagai basis data

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Sumber : Kumar dkk, 2002

Sensor berbasis serat optik telah berkembang pesat

(Yin, 2008).

Kelebihan:

Serat optik sangat sensitif,

Dapat digunakan pada jarak yang jauh,

Tidak rentan terhadap interferensi elektromagnetik

(Tosi dkk, 2010)

Sensor berbasis serat optik berstruktur Singlemode-

Multimode-Singlemode (SMS)

Teknologi serat optik SMS:

Sensor serat optik SMS dengan teknik mikrobending

(Kumar, 2002; Setiono, 2012)

Refraktometer berbasis serat optik SMS (Gao dkk,

2012)

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Penelitian ini merancang sensor beban berbasis serat

optik SMS menggunakan High Density Polyethylene

(HDPE) sebagai material penahan beban.

Kelebihan:

Tahan korosi,

Murah,

Memiliki fleskibilitas yang bagus (Smith, 1990;

Callister, 2009)

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Bagaimana merancang sensor beban

menggunakan material HDPE berbasis serat optik

berstruktur singlemode-multimode-singlemode

dan bagaimana karakteristik statis dari sensor

beban yang dirancang?

Merancang dan membuat sensor beban

menggunakan material HDPE berbasis serat optik

berstruktur singlemode-multimode-singlemode

dan melakukan uji karakteristik statis dari sensor

beban yang dirancang.

1. Pengujian pada beban statis.

2. Suhu lingkungan dianggap konstan.

Permasalahan

Batasan Masalah

Tujuan

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Mekanika Polimer

𝑃0 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑔𝑎𝑦𝑎 𝑀 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑎𝑘𝑎𝑛 𝑑𝑖𝑢𝑘𝑢𝑟 𝑔 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠𝑖 2𝐿0 = 𝑙𝑒𝑏𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

Mengalami deformasi

(Wang, 2006)

HDPE Lapisan pertama

HDPE Lapisan kedua

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

𝜎2 = 𝑃1′ 𝑥 − 𝑃2(𝑥)

𝜈𝐴𝑑𝑥

𝐿

0

𝜀2 = 𝜎2(𝑥)

𝐸𝑑𝑥

𝐿

0

𝜀𝐿 =𝑀𝑔

𝑛 + 1 𝐴𝑝𝐸𝑝𝜈𝑝

Lapisan Pertama

Lapisan Kedua

Strain Longitudinal dari sistem Sumber: (Wang, 2006)

Mekanika Polimer

𝜎 = 𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠 𝜀 = 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛 𝑃1 𝑥 = 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑔𝑎𝑦𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝜈 = 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛′𝑠 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 𝐸 = 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑢𝑠 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝐴 = 𝑙𝑢𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛

(Wang, 2006)

(Wang, 2006)

(Wang, 2006)

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Serat Optik

Berdasarkan Moda, terdapat 2 macam serat optik: Singlemode dan Multimode

Sumber: (Bentley, 2005)

Sumber: (Thyagarajan 2007)

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Mekanika Serat Optik

Perubahan indeks bias

𝑛 = −𝑛𝑖3

2 𝑝12 − 𝜈 𝑝11 + 𝑝12 𝜀𝐿 = −𝑝𝑒𝜀

Perubahan jari-jari

𝑟 = 𝑟𝜈𝜀𝐿

ni = indeks bias core atau cladding p11 , p12 = koefisien strain optik pe = koefisien strain serat optik efektif. L = strain longitudinal sistem

r = jari-jari awal serat optik = Poisson’s ratio L = strain longitudinal sistem

Saat terjadi pembebanan, serat optik mengalami:

Perubahan panjang

𝑙 = 𝑙𝜀𝐿

l = panjang awal serat optik L = strain longitudinal sistem

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Serat Optik SMS

Serat Optik singlemode membangkitkan moda-moda pada serat optik multimode

Jumlah moda yang dapat dibangkitkan adalah sebanyak

𝑚 =𝑉2

2 dan 𝑉 =

2𝜋𝑎

𝜆 𝑛1

2 − 𝑛22

a = jari-jari core n1 = indeks bias core n2 = indeks bias cladding

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Serat Optik SMS

Pemanduan cahaya pada serat optik SMS juga terjadi peristiwa MMI pada bagian serat optik multimode

Titik self-imaging

Dipelajari menggunakan Modal Propagation Analysis

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Serat Optik SMS

Titik self-imaging

Terjadi pada jarak,

𝐿𝑖 =2𝜋

𝛽0−𝛽1

= konstanta propagasi

Daya yang keluar dari serat optik dapat dihitung menggunakan persamaan:

𝑃𝑠𝑚 = 𝐴02 + 𝐴1

2𝑒𝑖 𝛽0−𝛽1 𝐿 +⋯2

A0 = amplitudo daya yang ter-couple menjadi fundamental mode

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Mulai

Studi Literatur

Perancangan

Sensor Beban

Karakterisasi

Performansi

Sensor Beban

Karakteristik

Sensor Baik?

Penghitungan

Karakteristik Statis

Sensor Beban dan

Analisa Data

Penulisan

Laporan

Selesai

Tidak

Ya

Pengukuran Kestabilan Sumber Cahaya

Karakterisasi Performansi Sensor

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Desain Faktor Keamanan

𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑘𝑒𝑎𝑚𝑎𝑛𝑎𝑛 =𝑘𝑒𝑘𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙

𝑘𝑒𝑘𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑟𝑗𝑎

Ditentukan sebesar 1,49 Kekuatan dari material yang digunakan sebesar 29 MPa

Didesain sebesar 15,44 MPa

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

L

(cm

)

Beban (N)

-0.14

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

r (

m)

Beban (N)

1.42

1.425

1.43

1.435

1.44

1.445

1.45

1.455

1.46

0 3 6 9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

39

42

45

48

51

54

57

60

63

66

69

72

75

78

81

84

87

90

93

96

99

10

2

10

5

10

8

11

1

11

4

11

7

12

0

12

3

ind

eks

bia

s

Jari-jari (m)

Saat Beban 0 N Saat Beban 1961.4 N Saat Beban 3922.8 N

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Rad

ius

( m

)

Length of MMF, L-MMF (m)

1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06

x 105

-60

-40

-20

0

20

40

60

Rad

ius

( m

)

Length of MMF, L-MMF (m)

1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06

x 105

-60

-40

-20

0

20

40

60

Rad

ius

( m

)

Length of MMF, L-MMF (m)

1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06

x 105

-60

-40

-20

0

20

40

60

Beban 0 N

Beban 1961,2 N

Beban 3992,4 N

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Panjang serat optik multimode MEMPENGARUHI profil daya keluaran serat optik akibat pembebanan

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Mengukur kestabilan sumber

cahaya

Membuat serat optik berstruktur

SMS

Membuat sensor beban

Melakukan uji pembebanan statis

Melakukan perhitungan

karakteristik statis sensor

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Serat optik multimode

Serat optik singlemode patchcord

fusion splicer Fiber cleaver

Fiber stripper

Panjang Serat Optik Multimode yang digunakan adalah 10,6 cm

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Sensor beban Dimensi Alat :

Panjang : 20 cm

Lebar : 10 cm

Tebal : 1 cm (tiap lapisan) Bahan : High Density Polyethylene (HDPE)

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

480

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Uji pembebanan statis

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Sensor yang

dirancang

Range Input Sensitivitas

(W/kg)

Resolusi

(kg)

Histeresis

(%) R2

180 - 400 kgf

(1765.26 –

3922.8 N)

0.118 0.42 39.60 0.952

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Telah dilakukan perhitungan dan pembuatan sensor beban berbasis serat optik berstruktur SMS menggunakan HDPE sebagai material penahan beban. Dimensi sensor beban 20 cm x 10 cm x 1 cm dengan serat optik ditanam pada material penahan beban lapisan bawah. Sensor yang dirancang mempunyai range pengukuran linier pada beban 180-400 kgf. Sensitivitas sensor sebesar 0.118 W/kgf dan resolusi sebesar 0.42 kgf.

1. Untuk meningkatkan sensitivitas dan menurunkan nilai histeresis perlu dilakukan penelitian variasi teknik pemasangan serat optik pada material pelindung dan variasi material penahan beban.

2. Perlu dilakukan pengontrolan efek lingkungan seperti getaran dan suhu.

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Bentley, J.P. 1995. Principles of Measurement Systems. Third Edition. Longman Singapore Publisher: Singapore Callister, William D dan Rethwisch, David G. 2009. Material Science and Engineering: An Introduction. Eight Edition. John Wiley and Son, Inc: USA Gao, R.X, Wang, Q., Zhao, F., Meng, B., dan Qu, S.L. 2010. Optimal Design and Fabrication of SMS Fiber Temperature Sensor For Liquid. Optics Communication, Vol 283, Hal. 3149-3152 Hatta, Agus Muhammad, dkk. 2010. Strain Sensor Based on a Pair of Singlemode-Multimode-Singlemode Fiber Structure in a Ratiometric Power Measurement Scheme. Applied Optic Vol. 29 No. 3 Koniditsiotis, Chris. 2000. Weigh In Motion Technology. National Library of Australia Cataloguing-in-Publication data Kumar, Arun. 2003. Transmission Characteristics of SMS Fiber Optic Sensor Structure. Optics Communications 219 hal 215-219. Kumar, Arun, Varshney, Ravi K, Kumar, Rakesh. 2004. SMS fiber optics microbend sensor structures: effect of the modal interference. Optics Communications 232 hal 239-244

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Kuntaraco, Rionda B, Sekartedjo, AM. Hatta. 2013. Pengembangan Metode Pengukuran Beban Menggunakan Serat Optik Berstruktur Singlemode-Multimode-Singlemode. Tesis Program Magister Institut Teknologi Sepuluh Nopember Lixin, Zhang. 2007. An Evaluation of The Technical and Economical Performance of Weigh In Motion Technology. A thesis presented to the University of Waterloo Morshed, Ahmed Hisham. 2011. Self-imaging in Single mode-Multimode-Single mode Optical Fiber Sensors. Painter, Paul C, Coleman, Michael M. 1997. Fundamental of Polymer Science. Technomic Publishing Company: USA Setiono, Andi dan Widiyatmoko, Bambang. 2012. Desain Sensor Beban Kendaraan Menggunakan Teknik Mikrobending Serat Optik. TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Volume 30 hal 33-36 Smallman, R.E dan Ngan, A.H.W. 2007. Physical Metallurgy and Advanced Materials. Seventh Edition. Elseiver: Burlington Smith, William. 1990. Principles of Material Science and Engineering. Mc.Grawhill: Singapore

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Thyagarajan, K. 2007. Fundamental of Fiber Waveguide Modes. Winter College on Fibre Optics, Fibre Lasers and Sensors. Physics Department IIT Delhi Tosi, D, Olivero, M, Vallan, A, Perrone, G. 2010. Weigh-in-motion through fibre Bragg-grating optical sensors. Electronics Letters, Vol. 46, No. 17. Wang, Ke, dkk. 2010. Fiber-Bragg-Gratting-based weigh-in-motion system using fiber-reinforced composites as the load-supporting material. Optical Engineering Vol. 45(6) Yin, Shizuo, Ruffin, Paul B, Yu, Francis T.S. Fiber Optics Sensor Second edition. CRC Press: USA

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5

Section

1

Section

2

Section

3

Section

4

Section

5