Pemanfaatan Serat Optik sebagai Sensor Pergeseran

Rahmatul Izza (081411331028), Miftachul Nur Afifah (081411331062), Lu’luil Maknunah

(081411331072)

Laboratorium Fisika Optik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Kampus C Universitas Airlangga,

Surabaya 60155, Indonesia

Abstrak

Directional coupler dan double coupler dapat dimanfaatkan menjadi sensor pergeseran

mikro dengan prinsip penjalaran gelombang cahaya yang tercoupling pada setiap daerah

couplingnya. Eksperimen ini dilakukan dengan menggunakan mikrometer yang dipasang cermin

datar pada ujung poros putar sebagai komponen pergeseran. Berdasarkan eksperimen yang telah

dilakukan, dapat disimpulkan bahwa kedua jenis device ini dapat dimanfaatkan sebagai sensor

pergeseran mikro dengan performansi yang cukup baik. Adapun parameter-parameter sensor

pergeseran untuk masing-masing directional coupler dan double coupler adalah besar jangkauan

7.2 mm dan 5.1 mm, daerah kerja 5.6 mm dan 4.3 mm, serta sensitivitas 0,5383 au/mm dan 0,6842

au/mm.

Kata Kunci : Directional coupler ; double coupler.

Pendahuluan

Serat optik merupakan sebuah media transmisi gelombang elektromagnetik yang terbuat dari

bahan kaca atau plastik. Prinsip kerjanya menggunakan prinsip pemantulan sempurna (total internal

reflection) dengan memanfaatkan perbedaan indeks bias antara lapisan core atau cladding-nya

(Udd, 1991). Keunggulan serat optik sebagai sensor adalah karena tidak kontak langsung dengan

obyek pengukuran, tidak menggunakan listrik sebagai isyarat, akurasi pengukuran yang tinggi, dan

ukurannya yang kecil (Krohn, 2000). Serat optik telah dapat diaplikasikan sebagai sensor

pergeseran berbasis modulasi intensitas dengan berbagai desain dan konfigurasinya. Aplikasi sensor

pergeseran serat optik berbasis modulasi fase dengan metode dual fabry-perrot cavity

menghasilkan akurasi dan resolusi tinggi tetapi jangkauan kecil dan set up eksperimen kurang

praktis dan harga alat-alat sangat mahal (Bitou et al, 2009).

Directional coupler merupakan salah satu divais optik yang dapat difungsikan sebagai

pembagi daya. Directional coupler dapat terbuat dari serat optik baik singlemode maupun

2

multimode. Berdasarkan prinsip kerja tersebut, directional coupler dapat digunakan untuk

berbagai macam sensor.

Metode

Cahaya dari laser merah dipandu menggunakan serat optik (transmitter) menuju cermin

pemantul. Cermin pada penelitian ini dapat digeser dan memiliki ukuran penggeseran dalam orde

milimeter. Cermin berfungsi sebagai pemantul cahaya dan obyek yang akan diukur posisinya.

Perubahan posisi cermin menyebabkan arah cahaya yang dipantulkan akan berubah. Perubahan

arah pantulan cahaya menyebabkan intensitas cahaya yang dipandu ke dalam serat optik

(receiver) akan mengalami perubahan. Perubahan intensitas cahaya yang dipandu oleh serat

optik (receiver) akan diubah menjadi tegangan DC oleh fotodetektor. Tegangan yang berubah

akan menjadi acuan dalam menentukan perubahan posisi dari cermin dan menyatakan pergeseran

mikro.

Gambar 3. Set Up Eksperimen Sensor Pergeseran menggunakan fiber coupler dengan Target Cermin .

Pengukuran pergeseran mikro dilakukan dengan memvariasikan pergeseran sebesar 0.1 mm

sampai dengan titik tegangan keluaran dengan nilai yang sama hingga 3x.

Hasil

NO. x±0.01 (mm) V±0.01 (V) NO. x±0.01 (mm) V±0.01 (V)

1 0 5.20 37 3.6 1.227

2 0.1 5.21 38 3.7 1.200

3 0.2 5.25 39 3.8 1.170

4 0.3 5.30 40 3.9 1.147

5 0.4 5.37 41 4.0 1.126

6 0.5 5.44 42 4.1 1.107

7 0.6 5.51 43 4.2 1.089

8 0.7 5.33 44 4.3 1.071

9 0.8 5.04 45 4.4 1.050

10 0.9 4.73 46 4.5 1.035

11 1.0 4.43 47 4.6 1.020

12 1.1 4.14 48 4.7 1.008

13 1.2 3.86 49 4.8 0.995

14 1.3 3.62 50 4.9 0.982

15 1.4 3.382 51 5.0 0.972

16 1.5 3.162 52 5.1 0.961

17 1.6 2.954 53 5.2 0.954

18 1.7 2.762 54 5.3 0.943

19 1.8 2.593 55 5.4 0.931

20 1/9 2.432 56 5.5 0.924

21 2.0 2.294 57 5.6 0.916

22 2.1 2.162 58 5.7 0.908

23 2.2 2.046 59 5.8 0.904

24 2.3 1.949 60 5.9 0.897

25 2.4 1.858 61 6.0 0.890

26 2.5 1.776 62 6.1 0.886

27 2.6 1.696 63 6.2 0.880

28 2.7 1.626 64 6.3 0.874

29 2.8 1.563 65 6.4 0.870

30 2.9 1.508 66 6.5 0.864

31 3.0 1.455 67 6.6 0.859

32 3.1 1.411 68 6.7 0.854

33 3.2 1.364 69 6.8 0.850

34 3.3 1.325 70 6.9 0.846

35 3.4 1.291 71 7.0 0.846

36 3.5 1.255 72 7.1 0.846

Tabel 1. Directional Couple

NO. x±0.01 (mm) V±0.01 (V) NO. x±0.01 (mm) V±0.01 (V)

1 0 0.007 26 2.6 1.137

2 0.1 0.06 27 2.7 1.061

3 0.2 0.442 28 2.8 0.971

4 0.3 1.076 29 2.9 0.934

5 0.4 1.689 30 3 0.866

6 0.5 2.146 31 3.1 0.854

7 0.6 2.456 32 3.2 0.78

8 0.7 2.676 33 3.3 0.784

9 0.8 2.892 34 3.4 0.709

10 0.9 2.962 35 3.5 0.665

11 1 2.886 36 3.6 0.633

12 1.1 2.883 37 3.7 0.559

13 1.2 2.754 38 3.8 0.56

14 1.3 2.63 39 3.9 0.543

15 1.4 2.562 40 4 0.521

16 1.5 2.47 41 4.1 0.492

17 1.6 2.364 42 4.2 0.451

18 1.7 2.176 43 4.3 0.43

19 1.8 2.049 44 4.4 0.405

20 1.9 1.873 45 4.5 0.384

21 2 1.683 46 4.6 0.371

22 2.1 1.581 47 4.7 0.036

23 2.2 1.476 48 4.8 0.034

24 2.3 1.416 49 4.9 0.033

25 2.4 1.302 50 5 0.032

26 2.5 1.239 51 5.1 0.032

Tabel 2. Double Couple

Pembahasan

Data hasil karakterisasi directional coupler dan double coupler sebagai sensor

pergeseran mikro berupa daya optik sebagai fungsi pergeseran posisi cermin. Semakin jauh

pergeseran dari cermin maka akan semakin kecil daya optik yang kembali terpandu pada fiber

optik dan terbaca pada detektor. Pengambilan data dilakukan setiap pergeseran 100 μm dengan

posisi awal berada saat x = 0.

Sebagai sensor pergeseran, hubungan antara variabel daya output terhadap pergeseran

haruslah linier. Sedangkan telah diperlihatkan sebelumnya pada Gambar 2. dan Gambar 4. bahwa

bentuk grafik yang tersaji tidak linier penuh. Oleh karena itu, harus dilakukan pengujian

daerah linier untuk directional coupler dan double coupler. Daerah linier ini menunjukkan

daerah kerja efektif sebagai suatu sensor pergeseran. Pengujian daerah linier dilakukan dengan

memilih data yang diasumsikan paling linier dibandingkan yang lain kemudian dilakukan regresi

linier. Kemudian dari regresi linier itulah nantinya akan dapat diketahui parameter-parameter

sensor dari masing-masing directional coupler dan double coupler sebagai sensor pergeseran yang

berskala mikro.

Gambar 2. Linieritas pergeseran terhadap tegangan keluaran pada Directional Couple

Gambar 3 (a) Daerah Kerja 1; (b) Daerah Kerja 2.

Daerah kerja directional coupler sebagai sensor pergeseran ditunjukkan pada Gambar

3(b). Berdasarkan pemilihan data eksperiman hasil pergeseran cermin pada directional coupler

ini didapatkan bahwa daerah kerja berkisar antara jarak 0.6 mm hingga 7.2 mm dengan jangkauan

7.1 mm. Sensitivitas dari sensor ini sebesar 0,5383 au/ mm, tanda (-) dari persamaan tersebut

menunjukkan bahwa grafik ini berbentuk backslope. Nilai faktor linieritas dari grafik ini

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8

V (

V)

x (mm)

Linieritas

V±0.01 (V)

y = 0.6114x + 5.1327R² = 0.9893

5.155.2

5.255.3

5.355.4

5.455.5

5.55

0 0.2 0.4 0.6 0.8

V (

V)

x (mm)

Series1

Linear (Series1)

y = -0.5383x + 3.8215R² = 0.695

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8

V (V

)

x (mm)

Series1

Linear (Series1)

dinyatakan dengan R2 dengan nilai 0.695.

Gambar 4. Linieritas Pergeseran terhadap Tegangan Keluar pada Double Couple.

Gambar 5 (a) Daerah Kerja 1 (b) Daerah Kerja 2

Berdasarkan pengujian daerah linier didapatkan bahwa daerah kerja sensor ini berkisar

antara jarak 0.9 mm hingga 5.2 mm, atau rentang daerah kerjanya 4.3 mm. Rentang daerah

kerja ini sangat jauh lebih kecil dibanding daerah kerja directional coupler. Berdasarkan

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 1 2 3 4 5 6

V (

V)

x (mm)

Linieritas

Series1

y = 3.7688x - 0.0554R² = 0.9582

-0.50

0.51

1.52

2.53

3.54

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Axis

Title

Axis Title

Series1

Linear (Series1)

y = -0.6842x + 3.2371R² = 0.9306

-1

0

1

2

3

4

0 2 4 6

Axis

Title

Axis Title

Series1

Linear (Series1)

persamaan garis dapat diketahui nilai sensitivitas dari sensor ini adalah 0,6842 au/mm, tanda (-)

dari persamaan tersebut menunjukkan bahwa grafik ini juga berbentuk backslope. Nilai faktor

linieritas dari grafik ini dinyatakan dengan R2. Sehingga diketahui bahwa faktor linieritas untuk

double coupler sebagai sensor adalah 0,9306.

Berdasarkan Gambar 2 dan 4 untuk masing-masing directional coupler dan double

coupler maka didapatkan beberapa data yang dapat digunakan sebagai parameter sensor, yaitu

sensitivitas, daerah kerja, resolusi pergeseran alat, jangkauan dan tingkat linieritas. Adapun nilai

parameter-parameter directional coupler dan double coupler sebagai sensor pergeseran

diperlihatkan pada tabel di bawah ini.

Parameter

Directional

Coupler Double Coupler

Pergeseran alat (mm) 0.1 0.1

Jangkauan (mm) 7.2 5.1

Daerah kerja (mm) 0.6-7.2 0.9-5.2

Sensitivitas (au/ mm) 0.5383 0,6842

Linieritas 0.695 0,9306

Berdasarkan parameter-parameter sensor yang disajikan pada tabel 1. diketahui bahwa

daerah kerja yang diperoleh dari directional coupler maupun double coupler berbeda. Directional

coupler memiliki daerah kerja yang jauh lebih panjang dan sensitivitas lebih besar dibanding

double coupler. Selain itu, nilai linieritas directional coupler lebih besar dibandingkan double

coupler dengan perbedaan besar linieritas tidak terlalu jauh. Akantetapi secara umum

performansi direcsional coupler maupun double coupler sebagai sensor pergeseran sudah cukup

baik.

Kesimpulan

Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan maka didapatkan kesimpulan bahwa

directional coupler dan double coupler dari bahan serat optik multimode ini dapat dimanfaatkan

sebagai sensor pergeseran dengan performansi yang sudah cukup baik. Adapun parameter-

parameter sensor pergeseran untuk masing-masing directional coupler dan double coupler adalah

besar jangkauan 7.2 mm dan 5.1 mm, daerah kerja 5.6 mm dan 4.3 mm, serta sensitivitas 0,5383

au/mm dan 0,6842 au/mm.

Referensi

Bitou, Youichi, 2009, High Accuracy displacement Metrology and Control Using Dual Fabry-Perot

Cavity with an Optcal Frequency Comb Generator, Precision Engineering, Vol 33, hal 187-193.

Krohn, D.A., 2000. Fiber Optic Sensor, Fundamental and Application, 3rd. New York : ISA.

Saputro, Bayu H. 2014. Aplikasi SIstem Sensor Serat Optik untuk Pengukuran Frekuensi Getaran

Akustik. Padang : UNAND Press.

Udd, Eric. 1991. Fiber Optic Sensors : An Introduction for Engineers and Scientist. Canada : John

Wiley and Sons.

Yasin, M., Harun, W.S., dkk. 2007. The Performance of a Fiber Optic Displacement Sensor for

Resolusi