rancang bangun sensor suhu menggunakan serat...

RANCANG BANGUN SENSOR SUHU MENGGUNAKAN

SERAT OPTIK BERSTRUKTUR SINGLEMODE-MULTIMODE-SINGLEMODE DAN

OPTICAL TIME DOMAIN REFLECTOMETER

OLEH : TEGAR BESTARIYANPEMBIMBING : AGUS M. HATTA Ph.D

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Sensor suhu konvensional yang sekarangdigunakan seperti thermocouple memilikibeberapa kekurangan, serta keunggulandari penggunaan serat optik sebagai sensor suhu seperti Long Period Gratings danFiber Bragg Gratings

Perkembangan struktur serat optiksinglemode-multimode-singlemode untukberbagai macam aplikasi sensor. (murah & fabrikasi mudah)

Kegunaan OTDR sebagai alat monitoring yang portable, serta mudahpengoperasiannya

LATAR BELAKANG

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Bagaimana pembuatan dan optimasi serat optik SMS

sebagai sensor suhu?

Bagaimana penggunaan OTDR untuk

mengukur suhuyang dikenakan

pada serat optik?

PERMASALAHAN

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Perancangan sensor dibatasi sebagai fungsi

panjang multimode

-singlemode graded index (ITU-T R G655)

-multimode graded index( ITU-T RG651) dan Thorlabs IR multimode step index.

Digunakan panjang gelombang operasi OTDR 1310 nm dan

1550 nm.

Pengujian suhu dilakukan pada

range perubahan suhu sebesar 40-

200 °C.

Digunakan JDSU MTS 8000 Series

dan Agilent E6000C Mini OTDR untuk pengukuran rugi

daya.

Digunakan kenaikansuhu setiap 5°C dalam

pengujiannya

BATASAN MASALAH

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

perancangansensor suhu

menggunakanserat optik SMS

pengembangan teknik

pengukuran suhu menggunakan

OTDR.

TUJUAN

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Agus Muhamad Hatta, et al, 2010, menganalisa pengaruh

suhu untuk keperluan mengukur panjang gelombang dengan

menerapkan ratiometric power measurement menggunakan powermeter untuk mengukur power yang melewati struktur

SMS fiber [7].

Qian Wang et al, 2008, melakukan investigasi pada

struktur singlemode-multimode-singlemode fiber. Pada penelitian ini dijelaskan

bagaimana merancang suatu struktur SMS baik secara

dengan Guided-Mode Analysissecara numerik dan eksperimen

yang dipengaruhi panjang multimode fiber dan panjang

gelombang yang melewatinya[5].

Arun Kumar, et al, 2003, menjelaskan secara teoritis

karakteristik transmisi struktur SMS fiber saat spot size fundamental mode dari

singlemode dan multimode fiber tidak cocok. Pada kasus

tersebut power yang ditransmisikan sangat sensitif

terhadap operasi panjang gelombang dan panjang

multimode fiber yang digunakan[8].

Saurabh Mani Tripathi, et al, 2009, menganalisa karakterisitik

pengukuran strain dan suhumenggunakan serat optikberstruktur SMS ,dimanasebelumnya serat optik

multimode graded index yang telah diberi pengotor (dopped)

dengan GeO2 dan P2O5, dimanakemudian akan diamati

pergeseran spektral panjanggelombangnya akibat pengaruhsuhu melalui Optical Spectrum

Analyzers [4].

TINJAUAN PUSTAKA

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Sensor adalah suatu alat yang dapat mengukur besaran fisika

dan mengubahnya ke sinyal yang dapat dibaca oleh observer

atau sebuah instrumen

Beberapa karakteristik yang perlu diperhatikan :• Range• Linearitas• Span• Resolusi• Sensitifitas

SENSOR

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

STRUKTUR

CARA KERJA

JENIS

SERAT OPTIK

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

KARAKTERISTIK YANG PERLU DIPERHATIKAN

DALAM PENGOPERASIAN SMS

PANJANG GELOMBANG

OPERASI

MULTIMODE• PANJANG• DIAMETER CORE• INDEKS BIAS

SINGLEMODE-MULTIMODE-SINGLEMODE FIBERS

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

OTDR

SET UP ALAT

CARA KERJA

RESPON

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

PENGARUH SUHU TERHADAP SERAT OPTIK

• Panjang (L)• Diameter core (a)• Indeks bias (n)

Perubahankarakteristikserat optik:

menyebabkan

Perubahan propagasi moda

Loss yang terukur di OTDR

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Diagram alirpengerjaanTUGAS AKHIR

Mulai

Perencanaan dan

desain sensor suhu

SMS fiber

Pembuatan sensor

suhu SMS fiber

Uji suhu

Sistem

bekerja

Uji suhu dengan

variasi jenis dan

panjang multimode

tidak

ya

Pengambilan

data (respon &

transmitted

power OTDR)

1

1

Analisa data statistik,

pembahasan dan

penarikan kesimpulan

Penyusunan laporan

dan penyampaian

hasil laporan

Selesai

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Peralatan yang Digunakan(PT. Telkom)

• Singlemode Fiber ITU-T G-655 Nonzero Dispersion Shifted Fiber (NDSF)• Attenuation @ 1550 nm = 0,2 db/km• Chromatic Dispersion (CD) @ 1550 nm = 4.5 ps/nm-km

• Arc Fusion Splicer FSM 50-S• Optical Fiber Cleaver• Fiber Stripper• JDSU MTS 8000 series OTDR• Multimode fiber ITU-T G-651 (50/125) graded index• Magnetic Stirrer• Digital Termometer 6001 Hoover Dam Technology (HDT)• Universal Closure (UC)• Alkohol 99 %, Tissue• Patchcord Fiber

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Gambar alata

b

e f g

e=optical fiber stripper & cleaver

a= Arc Fusion Splicer FSM 50-S

b=SMF ITU-T G-655

f=JDSU MTS 8000 OTDRg=universal closure

cc=MMF ITU-T G-651

h

d

h=digital termometer

d=hot plate

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Peralatan yang digunakan(Lab. Rekayasa Fotonika)

• SMF-28(TM) fiber, Singlemode (Corning Optical fiber)• Attenuation @ 1310 nm = 0,3 db/km• Attenuation @ 1550 nm = 0,2 db/km

• Compact fusion splicer type-25e sumitomo electric• FCV-21 Optical Fiber Cleaver• Fiber Stripper clauss model no.CFS-2 for stripping 125 micron

fiber with 250 micron buffer coating• Agilent Mini OTDR E6000C• Multimode fiber step index Thorlabs• Hot plate

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Gambar alata

b

cd e

c=optical fiber stripper

a= fusion splicerb=singlemode optical fiber (SMF-28)

d=Agilent mini OTDR e6000ce=optical fiber cleaver

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Diagram

OTDR Laser source

SMS fiber sensor

Temperature controller

OTDR photodetector

OTDR signal conditioning

OTDR trace (results)

LabView (for automatic data

acqusition)

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Diagram alir PerancanganSMS fiberMulai

Pemilihan serat optik

singlemode &

multimode

Penentuan panjang

gelombang operasi

pada OTDR

Penentuan panjang

bagian serat optik

multimode

Penyambungan serat

optik SM dan MM

menggunakan Fusion

Splicer

Penyusunan alat

sesuai dengan desain

dan gambar

Pengujian suhu dan

pengambilan data

( respon & data

transmitted di

OTDR)

2

2

selesai

Sistembekerja

ya

tidak

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Proses pengerjaan

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Parameter ukur OTDR (Telkom) OTDR Type : JDSU MTS 8000 series

Wavelength : 1310 nm dan 1550 nm Pulsewidth : 10ns Range : 5,116 km Optimize : Dynamic Sampling Distance : 64 cm Averaging Time : 31 s for 1310 nm & 20 s

for 1550nm IOR : 1,465 (1310nm), 1,469 (1550nm)

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Parameter ukur OTDR (Lab) OTDR Type : Agilent Mini OTDR E6000C Wavelength : 1314 nm Pulsewidth : 100ns Range : 4 km Optimize : Normal Sampling Distance : 7,8 cm Averaging Time : 10 s IOR : 1,446

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

display multi traces perbandingan antara respon SMS 6 cm pada suhu 40°C dan 200°C

200°C

40°C

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Data Respon sensor SMS (1310 nm)

120; 6,309

195; 1,576

120; 6,106

195; 1,557

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

0 50 100 150 200 250

Rug

i day

a (d

B)

Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=5cm (1310 nm)

5cm (naik)

5cm (turun)

40; 1,891

200; 2,092

1,85

1,9

1,95

2

2,05

2,1

2,15

0 50 100 150 200 250

Rug

i da

ya (d

B)

suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=5cm step index(1310 nm)

5 cm

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

110; 2,369

200; 0,385

110; 2,294

200; 0,385

0 50 100 150 200 250

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 50 100 150 200 250

Rug

i Day

a (d

B)

Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=7cm (1310 nm)

7 cm turun (turun)

7 cm (naik)

90; 0,539

200; 2,902

90; 0,544

200; 2,902

0 50 100 150 200 250

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 50 100 150 200 250

Rug

i day

a (d

B)

Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=6cm (1310 nm)

6 cm (turun)

6 cm (naik)

70; 2,056

140; 0,36

70; 2,443

140; 0,335

0 50 100 150

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 50 100 150

Rug

i day

a (d

B)

Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=8cm (1310 nm)

8 cm (turun)

8 cm (naik)

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Karaktersitik sensor SMS (1310 nm)

Karakteristiksensor

Lmmf (cm)

5 (MMSI) 5 (MMGI) 6 (MMGI) 7 (MMGI) 8 (MMGI

Range

Inputsuhu (°C)

40-200 120-195 90-200 110-200 70-140

Output (naik) rugidaya (dB) 1,891-2,092 1,576 – 6,309

0,544 -2,902

0,385 – 2,294 0,335 – 2,443

Output (turun) rugidaya (dB) - 1,557 – 6,106

0,539 –2,902

0,385 – 2,369 0,36 – 2,056

Span

Inputsuhu (°C) 160 75 110 90 70Output (naik) rugidaya (dB) 0,201 4,733 2,358 1,909 2,108

Output (turun) rugidaya (dB) - 4,549 2,363 1,984 1,696

Resolusi (°C) 1,2658 1,49x10-2 3,95x10-2 4,06x10-2 3,3x10-2

Linearitas 0,82249 0,978835 0,95284 0,949845 0,96837

Sensitivitas (dB/°C) 0,00079 0,06696 0,0253 0,024635 0,030275

Hysteresis (%) - 7,188 7,19 4,748 10,16

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Data Respon sensor SMS (1550 nm)

90; 0,218

195; 1,773

90; 0,281

195; 1,762

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 50 100 150 200 250R

ugi

daya

(dB

)Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=5cm (1550 nm

5 cm (naik)

5cm (turun)

85; 0,914

190; 0,107

85; 1,027

190; 0,172

0 50 100 150 200

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 50 100 150 200

Rug

i day

a (d

B)

Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=6cm (1550 nm)

6cm turun

6cm naik

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

115; 0,268

200; 1,826

115; 0,294

200; 1,826

0 50 100 150 200 250

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 50 100 150 200 250

Rug

i day

a (d

B)

Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=7cm (1550 nm)

5 cm (naik)

5 cm (turun)

65; 0,294

150; 1,455

65; 0,345

150; 1,912

0 50 100 150 200

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 50 100 150 200

Rug

i day

a (d

B)

Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=8cm (1550 nm)

8 cm (turun)

8 cm (naik)

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Karaktersitik sensor SMS (1550 nm)

Karakteristiksensor

Lmmf (cm)5 (MMGI) 6 (MMGI) 7 (MMGI) 8 (MMGI

Range

Inputsuhu (°C) 85-195 85-190 115-200 65-150

Output (naik) rugidaya (dB) 0,218 – 1,773 0,172 - 1,027 0,268 – 1,826 0,345 – 1,912

Output (turun) rugidaya (dB) 0,281 – 1,762 0,107 –0,914 0,294 – 1,826 0,294 – 1,455

Span

Inputsuhu (°C) 110 105 85 85

Output (naik) rugidaya (dB) 1,555 0,855 1,558 1,567

Output (turun) rugidaya (dB) 1,481 0,807 1,532 1,161

Resolusi (°C) 5,94x10-2 1,28x10-1 4,71x10-2 5,33x10-2

Linearitas 0,977525 0,983715 0,975435 0,949225

Sensitivitas (dB/°C) 0,01683 0,0078 0,02123 0,018745Hysteresis (%) 1,986 3,59 6,44 11,15

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 50 100 150 200 250

Rug

i day

a (d

B)

Suhu (°C)

Grafik respon rugi daya SMS multipoint terhadap perubahan suhu (1550nm)

SMS 1 (naik)

SMS 1 (turun)

SMS 2 (naik)

SMS 2 (turun)

Pengukuran suhu menggunakanSMS Multipoint

Karakteristik sms1Sensitivitas : 0,005245 dB/°CLinearitas : 0,9756

Karakteristik sms2Sensitivitas : 0,00109 dB/°CLinearitas : 0,3625

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Kesimpulan Telah dilakukan pembuatan dan perancangan awal sensor suhu

menggunakan serat optik berstruktur SMS dan pengembanganteknik pengukuran suhu multipoint menggunakan OTDR JDSUMTS 8000 series dan Agilent E6000C Mini –OTDR. Sensor suhudapat bekerja dengan baik untuk setiap panjang serat optikmultmode 5, 6, 7, dan 8 cm dengan panjang gelombang 1310 dan1550 nm.

Sensor suhu serat optik berstruktur SMS dengan panjang serat optikmultimode dan panjang gelombang tertentu memiliki karakteristiknyamasing-masing.

Performansi terbaik untuk tiap penggunaan panjang gelombang :◦ Panjang gelombang 1310 nm : panjang serat optik multimode graded index 5 cm

dengan sensitivitas 0,06696 dB/°C, linearitas 0,978835, resolusi 1,49x10-2 °C danhysteresis 7,18 %

◦ Panjang gelombang 1550 nm : panjang serat optik multimode graded index 5 cmdengan sensitivitas 0,01683 dB/°C, linearitas 0,977525, resolusi 5,94x10-2 °C danhysteresis 1,986 %.

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Saran Perlu dilakukan pemotongan serat optik multimode yang lebih

presisi dalam orde mikrometer agar hasil fabrikasi sensor memiliki karakteritik yang sama.

Untuk elemen pengontrol suhu perlu menggunakan alat yang lebih presisi dan tertutup agar pengaruh suhu pada serat optik benar-benar terjaga dari pengaruh suhu lingkungan,sehingga data hasil pengukuran lebih presisi.

Untuk pengukuran suhu pada serat optik berstruktur SMS multipoint, dipertimbangkan kembali penggunaan panjang serat optik multimode dan panjang gelombang operasi yang cocok pada selisih jarak peletakan serat optik multimode yang lebih pendek untuk mengetahui seberapa banyak serat optik multimode yang dapat dipasang pada dynamic range

tertentu.

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

DAFTAR PUSTAKA [1] S.Wilson, Jon. 2004 . Sensor Technology Handbook. Elsevier: USA [2] Martha Marie Day, Ed.D., Anthony Carpi, Ph.D. "Temperature," Visionlearning Vol.SCI-1(5),2003.

http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=48 [3] T. Venugopalan et al, 2010, Characterization of long period gratings written in three different types

of optical fibre for potential high temperature measurements, City University. [4] Gholamzadeh, Bahareh and Nabovati,Hooman. 2008. Fiber Optic Sensors. World Academy of Science,

Engineering and Technology. [5] Qian Wang et al, 2008, Investigation on Single-Mode-Multimode-Single-Mode Fiber Structure.Journal

Of Lightwave Technology Vol.26,No.5. [6] Saurabh Mani Tripathi et al, 2009, Strain and Temperature Sensing Characteristics of Single-Mode–

Multimode–Single-Mode Structures. [7] Hatta,Agus M. et al. 2010 . Strain sensor based on a pair of singlemode-multimode–singlemode fiber

structures in a ratiometric power measurement scheme. Dublin Institute of Technology :Ireland [8] Ziemann, Olaf et al. 2008 . POF Handbook-Optical Short Range Transmission Systems.Springer

:Berlin [9] Anonim b. 2011. http://www.mfg.mtu.edu/cyberman/machtool/machtool/sensors/intro.html [10] Anonim c.2007. http://chemiplus.net/dic/Sensors%20definition-13252F5/ [11] PallaÁs-Areny, Ramon. 2001. Sensors and Signal Conditioning-2nd Edition. A Wiley-Interscience

publication:USA [12] Bentley, John P . 1995. Principles of Measurement Systems 3rd edition. Prentice Hall : USA [13] Keiser, Gerd.1991. Optical Fiber Communication. McGraw-Hill Book : Singapore [14] Anonim d. 2011.

http://engineeringtown.com/kids/index.php?option=com_content&view=article&id=147:apa-itu-fiber-optik&catid=48:teknologi-komunikasi&Itemid=60

[15] Hafid Erya P. 2011. Pengembangan Metode Pengukuran Strain Menggunakan Serat OptikBerstruktur Singlemode Multimode Singlemode Dan Optical Time Domain Reflectometer. ITS :Surabaya.

[16] Kumar,Arun et al. 2003. Transmission characteristics of SMS fiber optic sensor structures. Indian Institute of Technology : India.

[17] Anonim e. 2010. Alat Ukur Sistem Komunikasi Serat Optik-Optical Time Domain Reflectometer. Lab. Sistem Elektronika STT Telkom :Bandung

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Photonics brings you to brighter future

Thank you for all !!! 103 yeahhhh

Ilustrasi Step & Graded Index Modes

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Respon SMS Multipoint

SMS 1SMS 2

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Self-imagingSelf-imaging can be

defined as a property of multimode waveguides by which an input field profile is reproduced due to constructive interference to form single or multiple images of the singlemode input field at periodic intervals along the propagation direction of the guide.

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Perhitungan titik re-imaging (pendekatan guided mode analysis)

nco=1,4446λ1=1310 nmλ2=1550 nma=50 µmLπ1 = 16.1,4446. 502/10. 1310.10-3

= 4,410 cmLπ1 = 16.1,4446. 502/10. 1550.10-3

= 3,728 cm

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Modal Propagation Analysis Singlemode Step

Index

Multimode Graded Index Profil index Bias GIOF

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)

Modal Propagation Analysis Ujung Pertama

Ujung Terakhir

μ=wS/wM

Transmission Loss

Seminar Tugas Akhir (19/07/2011)