rancang bangun sensor suhu menggunakan serat...
TRANSCRIPT
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)