Desain Sensor Serat Optik Sederhana untuk Mengukur Konsentrasi Larutan Gula dan Garam Berbasis Pemantulan dengan Menggunakan Konfigurasi Jarak Cermin-Fiber Optik Tetap

## Arrini Nurul M, Ahmad Marzuki, Mohtar Yunianto
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret arrini11@yahoo.com
Received 05-03-2013, Revised 09-04-2013, Accepted 15-04-2013, Published 13-10-2013

## ABSTRACT
A simple method  to  measure a solution refractive index using  fixed  mirror refractive optical fiber sensor has been investigated. The solution used are sugar and salt solution, with concen- tration varies from 1M to 5M. The diameter of polymer optical fiber used is 0.5 mm and light source used is LED (λ=676 nm). The  sensor  work based  on  light intensity modulation,  sub- jected to mechanical structure change of the fiber due to an applied force. The result showed that  the  concentration  of  sugar  and  salt  linearly are related  with their  refractive  indeces (R 2 =0,95006) and (R 2 =0,99858).
Keyword : fiber optic sensor, refractive index, sugar sensor

## ABSTRAK
Sebuah  metode  sederhana untuk mengukur  indek  bias  larutan  telah  ditemukan.  Instrumen dasarnya  menggunakan  desain  sensor  optik  jarak  cermin  tetap  (d=  8mm). Pengambilan  data dilakukan  terhadap  larutan  gula  dan  larutan  garam  dengan  variasi  konsentrasi  1M sampai dengan 5M.  Fiber  optik  polimer  yang  digunakan adalah  fiber  optik  polimer  berdiameter  0,5 mm dan sumber cahaya berupa LED ( λ=676 nm). Sensor bekerja berdasarkan modulasi ampli- tude  intensitas  transmisi  cahaya dalam  serat. Adanya  perubahan  struktur  mekanik  dari  serat karena  gaya  yang  diberikan. Berdasarkan hasil  penelitian  diperoleh  bahwa  konsentrasi  gula dan  garam berhubungan  secara  linear  dengan  nilai  indek  biasnya  (R 2 =0.95006) dan (R 2 =0,99858).
Kata kunci : sensor serat optik, indek bias, sensor gula

## PENDAHULUAN
Sensor serat optik memiliki banyak aplikasi dalam berbagai cabang ilmu pengetahuan dan rekayasa.  Dalam  dunia  industri  pengukuran  indek  bias  suatu  cairan  sangat  penting, misalnya  dalam  industri  gula  untuk  mengetahui  tingkat  konsentrasi  larutan  gula [1] . Beberapa metode pengukuran indek bias yang sudah dikembangkan adalah menggunakan serat optik sebagai sensor dengan menghilangkan cladding dimana ketebalan dari cladding dapat  mempengaruhi  sensitivitas  sensor [2] dan  sensor  pergeseran  serat optik dan menunjukkan  bahwa  posisi  puncak  intensitas  tergantung  pada  indeks  bias  medium [3] . Pengukuran  indek  bias  menggunakan interferometry cenderung  rumit  dibandingkan dengan menggunakan Abbe-Refractometer yang lebih efisien waktu dan mudah digunakan [4] . Desain alat ini dibuat secara sederhana tetapi tidak portable . Dengan adanya dasar ini
dibuat desain sensor serat optik sederhana untuk mengukur indek bias larutan gula dengan menggunakan fiber optik berdiameter 0,5 mm dengan konfigurasi jarak optik tetap. Prinsip kerja alat ini dilakukan dengan konsep cermin di desain tegak lurus terhadap transmitter sebagai pemantul cahaya dan receiver sebagai penerima pantulan cahaya yang ditangkap oleh serat optik. Intensitas cahaya yang ditangkap oleh serat optik receiver akan diteruskan kedalam photodetector dan dibaca oleh oscilloscope sebagai tegangan ( mV ).

## METODE
Tujuan dari penelitian ini adalah mendesain fiber sensor untuk menentukan indek bias la- rutan  gula  dan  larutan  garam. Penelitian  ini dilakukan  dengan menggunakan  fiber  optik polimer  berdiameter  0,5 mm. Sumber  cahaya  yang  digunakan  adalah LED. Pertimbangannya  adalah LED tersedia secara murah  di  pasar.  Untuk  mengetahui bagaimana perubahan intensitas cahaya yang bersesuaian dengan panjang gelombang LED dilakukan  uji  UV-Vis.  Sedangkan  panjang  gelombang  LED  sendiri  diketahui  dengan menggunakan  metode  difraksi  dengan  menggunakan setup  standard  experiment difraksi cahaya [6-7] . Dengan  metode  ini,  panjang  gelombang  cahaya  ditentukan dengan menggunakan persamaan:
= (1)
Dengan d adalah jarak antara tiap celah pada kisi sebesar 644 nm [6] , y adalah jarak terang ke-n dari terang pusat, L adalah jarak celah ke layar, dan orde ( m ) yang digunakan dalam percobaan ini adalah 1.
Eksperimen untuk mendesain fiber sensor di perlihatkan oleh Gambar 1. Sumber cahaya (LED) dipecah menjadi dua: melalui fiber referensi dan fiber termodulasi. Pada fiber ref- erensi, sumber cahaya yang tertangkap oleh photodetector kemudian diubah menjadi sin- yal listrik dan dibaca oleh oscilloscope ( V reff ). Selanjutnya pada fiber termodulasi, cahaya terpantul  di  dalam  larutan  oleh  cermin  kemudian  ditangkap oleh  fiber receiver ,  cahaya yang tertangkap dalam fiber receiver disalurkan ke photodetector yang kemudian diubah dalam  sinyal  listrik  sehingga  dapat  dibaca  oleh oscilloscope ( V mod ). Dari keluaran  ini berikutnya dapat dihitung besar atenuasi seperti yang diberikan oleh:
= 10 (2)
Gambar 1. Skema eksperimen fiber sensor untuk mengukur reflaktif indek larutan

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 2 adalah hasil  uji  absorbansi cahaya  untuk  rentang  panjang  gelombang 500  nm sampai  800  nm  dari  larutan gula  (Gambar  2a)  dan  larutan  garam  (Gambar  2b).  Terlihat bahwa beda intensitas serapan antara satu konsentrasi dengan konsentrasi yang lain sangat ditentukan  oleh  panjang  gelombang.  Dari  gambar  2(a)  dapat  ditunjukkan bahwa  beda serapan  cahaya  antara  satu  larutan  gula  dengan  larutan  gula  yang  lain  mempunyai  nilai yang kecil saat λ= 750 -800 nm. Penggunaan sumber cahaya dalam rentang ini karenanya tidak disarankan. Saat mengalami pergeseran ke arah warna biru ( λ < 750 nm ), beda nilai serapan untuk larutan gula ini membesar. Keteraturan perubahan absorbansi pada range ini mulai  tampak.  Saat konsentrasi  larutan  gula  membesar,  nilai  absorbansi  dari  larutan  ini juga membesar. Perbedaan absorbansi antara larutan gula sebagai fungsi panjang gelom- bang pada rentang panjang gelombang eksperimen tidak teramati pada larutan garam. Ter- lihat bahwa beda serapan cahaya antara satu konsentrasi dengan konsentrasi yang lain un- tuk larutan garam mempunyai rentang yang besar.
500 550 600 650 700 750 800 0,040 0,045 0,050 0,055 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 A bs or ba ns i Panjang Gelombang 1M 1,5M 2M 2,5M 3M 4M 5M 600 625 650 675 700 725 750 775 800 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 A bs or ba ns i Panjang Gelombang (nm) 1M 2M 3M 4M 5M (a) (b)
Gambar 2. (color online) Spektrum absorbansi untuk beberapa larutan (a) larutan gula dan (b) larutan garam
1 2 3 4 5 4.25x10 -2 4.50x10 -2 4.75x10 -2 5.00x10 -2 5.25x10 -2 5.50x10 -2 A b so rb a ns i ( a .u ) Konsentrasi (M) A (676 nm) A (685 nm) A (700 nm) A (730 nm) A (750 nm) A (790 nm) 1 2 3 4 5 7.50x10 -2 1.00x10 -1 1.25x10 -1 1.50x10 -1 1.75x10 -1 2.00x10 -1 A b so rb a ns i ( a .u ) Konsentrasi (M) A (676 nm) A (685 nm) A (700 nm) A (730nm) A (750 nm) A (790 nm) (a) (b)
Gambar 3. (color online) Grafik hubungan konsentrasi dengan absorbansi (a) larutan  gula dan (b) larutan garam
Gambar  3  adalah  grafik  hubungan  konsentrasi  larutan  dengan  absorbansi.  Pada  larutan gula, perubahan secara linier dapat diamati saat panjang gelombang mengecil. Tiga grafik terbawah  pada  Gambar  3a  menunjukkan  tingkat  linieritas  yang  jauh  lebih  baik  dari  tiga grafik  bagian  atas.  Panjang  gelombang  LED  yang  digunakan  untuk  sensing  konsentrasi larutan gula ini  ada dalam  kelompok grafik bagian  bawah. Ini berarti bahwa sumber ca- haya λ= 676 nm layak digunakan untuk pe nentuan konsentrasi larutan gula. Sebagaimana
terlihat  dalam  Gambar  2b,  linieritas  yang  baik  dari  grafik  hubungan  antara  absorbansi dengan konsentrasi larutan garam seperti ditunjukkan oleh Gambar 3b sudah dapat diduga. Ini berarti bahwa penentuan panjang gelombang untuk sensing konsentrasi larutan garam lebih bebas dibandingkan dengan larutan gula.
1 2 3 4 5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 V /V ( a .u ) C (M) V/V (a.u) 1 2 3 4 5 4.75 4.80 4.85 4.90 4.95 V /V ( a .u ) C (M) V/V (a.u) (a) (b)
Gambar 4. Grafik hubungan konsentrasi dengan intensitas (a) larutan gula dan (b) larutan garam
Gambar 4 merupakan grafik hubungan konsentrasi larutan gula dan larutan garam dengan intensitas cahaya yang keluar dari fiber receiver hasil eksperimen. Dalam eksperimen ini, intensitas  cahaya  terukur  sebagai  tegangan  listrik  yang  nilainya  dapat  dibaca  dalam osiloskop. Grafik ini menggambarkan rasio hasil pengukuran tegangan dari fiber referensi dengan fiber termodulasi sebagai fungsi jarak antara cermin fiber dengan fiber optik untuk larutan  gula.  Saat  konsentrasi  semakin  besar  maka  semakin  besar  pula  intensitas  yang diperoleh.  Kecenderungan naik  yang  diamati  dalam  hasil  ini  sesuai  dengan  hasil  seperti pada Gambar 4, namun  cara kenaikannya tidak linear.  Hasil demikian dapat  diterangkan dari  kenyataan  seperti  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  5.  Bila  dua  fiber  yang  masing- masingnya mempunyai core dengan diameter D dan keduanya dipisahkan sejauh x maka porsi cahaya ( N α ) yang keluar dari fiber transmitter masuk ke fiber receiver adalah
= = ( ) (3)
Untuk nilai d (jarak antara ujung fiber dengan cermin) yang tetap, maka bila konsentrasi larutan  berubah  dan  karenanya  indek  bias  larutan  berubah  sudut  keluaran α maksimum juga akan berubah.  Hubungan antara perubahan indek bias larutan dengan sudut keluaran maximum ini diberikan oleh
= (4)
Terlihat  dari  persamaan  (3)  dan  (4),  porsi  dari  cahaya  yang  keluar  dari  fiber transmitter yang dipantulkan oleh  cermin  dan masuk  ke  fiber receiver untuk  nilai  jarak  antara fiber dengan cermin ( d ) yang tetap akan sangat bergantung pada refractive index larutan.
Gambar 5. Ilustrasi cahaya yang dipantulkan cermin dan diterima oleh serat optik receiver .
Gambar 6 menunjukkan bagaimana indek bias larutan berubah ketika konsentrasi dari dua larutan  (gula  dan  garam)  yang  diteliti  dalam  penelitian  ini  berubah.  Indek bias  larutan meningkat saat konsentrasi larutan meningkat. Angka linieritas untuk kedua larutan cukup tinggi. Masing-masing secara berurutan adalah (R 2 =0,95006) dan (R 2 =0,99858).
1 2 3 4 5 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44 1.46 n C Equation y = a + b Adj. R-Squa 0.95006 Value Standard Err n Intercept 1.3594 0.0031 n Slope 0.0208 0.00121 1 2 3 4 5 1.30 1.32 1.34 1.36 1.38 1.40 n C Equation y = a + b*x Adj. R-Square 0.9991 Value Standard Error n Intercept 1.34524 0.0073 n Slope 0.00535 0.00159
(a)
(b)
Gambar 6. (color online) Grafik hubungan konsentrasi dengan indek bias (a) larutan gula dan (b) larutan garam
Menggabungkan hasil  eksperimen dari  UV-VIS-NIR spectroscopy dengan refractometer ABBE  di  atas  dapat  diketahui bahwa  banyak  cahaya  masuk  ke fiber  receiver sangat ditentukan  oleh  seberapa banyak  cahaya  diserap  oleh  larutan  dan refractive  index dari larutan itu sendiri.

## KESIMPULAN
Penelitian yang ditujukan untuk membuat fiber sensor sederhana untuk pengukuran indek bias larutan gula dan larutan garam telah dilakukan. Porsi cahaya yang masuk ke fiber re- ceiver meningkat dengan naiknya konsentrasi larutan. Cara kenaikan ini dipercaya meru- pakan  gabungan  antara  serapan  cahaya  oleh  larutan  yang  adalah  fungsi  panjang  gelom- bang dan perubahan porsi cahaya masuk ke fiber receiver akibat perubahan refractive in- dex larutan.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Kumar, J. A., Gowri, N.M., Raju, Nirmala, Bellubbi and Krishna. 2006. Study of Fiber Optic Sugar Sensor. Pramana Journal of Physics . Vol. 67, No.2 August 2006, pp.383- 387.
2 Banerjee, A., Mukherjee, S., Kumar, R., Biman, J., Tapan, K., Mrinmoy, C., Rahul, D., Sandip, B., Ashutosh, S, Vadana, S., Rakesh, M., Ram, S., Paramhans, T., Setyendra, K., Vishal, S., Anjan, K, Joseph, J., Pinaki, G. 2007. Fiber Optic Sensing of Liquid Re- fractive Index. Indian Institute of Technology Kanpur. India. Sensors and Actuators B 123 (2007), pp. 594–605.
3 Govindan,  G.,  Raj,  S.G.,  Sastikumar,  D.  2009.  Measurement  of  Refractive  Index  of Liquids Using Fiber Optic Displacement Sensors. Marsland Press Journal of American Science 2009:5(2) , pp. 13-17.
4 Nath, P. 2010.  Non-intrusive Refractometer Sensor. Pramana Journal of Physics . Vol. 74, No.4 April 2010 pp. 661-668.
5 Wulansari, N., Marzuki, A., dan Yunianto, M. 2012. Sensor Fiber Optik dari Bahan Fi- ber Optic Polimer untuk Pengukuran Refractive Index Larutan Gula. Indonesian Jour- nal of Applied Physics . Vol.2, No.1 pp 29-37.
6 Khumaedi, Sutikno, dan Supliyadi. 2010. Percobaan Kisi Difraksi dengan Mengguna- kan Keping DVD dan VCD. Jurnal Pendidikan Fisika Indonesia . pp 26-29.
7 Rediansyah, H., Purwono, BS., dan Mustopa, EJ. 2011. Spektroskopi sederhana meng- gunakan keeping dvd. Prosiding Seminar Kontribusi Fisika 2011 (SKF 2011) . 8 Pedrotti, F.L., and Pedrotti, L.S. 1993. Introduction to Optics . Prentice-Hall, Inc.