Potensi Penggunaan Sensor “In-Fibre Bragg Gratings” Untuk ...seminar.gunadarma.ac.id/wp-content/uploads/2020/05/...Sistem manajemen informasi bencana longsor Lokasi rawan longsor

1

Potensi Penggunaan Sensor “In-Fibre Bragg Gratings” Untuk Deteksi Dini Bencana Longsor

Oleh: Rudi Irawan, Ph.D

Agenda

• Motivasi

• Keunggulan Sensor Berbasis Fibre Optics

• Prinsip Sensor In-Fibre Bragg Gratings

• Fabrikasi Gratings Dalam Fibre Optics

• Konsep Deteksi Dini dan Monitoring Bencana Longsor

• Kesimpulan

2UNIVERSITAS GUNADARMA

Motivasi

• Bencana alam selalu terjadi dari waktu ke waktu, mulai dari:

3

Gempa bumi

Tsunami

Gunung meletus

Banjir/hujan lebat

UNIVERSITAS GUNADARMA

• Bencana-bencana alam tersebut sering menjadi trigger bencanasusulan seperti:


Tanah longsor yang dapatmenyebabkan korban jiwa, kerugian harta benda, dampaksosial dan ekonomi

Kerugian-kerugian tersebut dapatdikurangi atau dihindari, jika ada “SistemPeringatan Dini”


Sehingga masyarakat dan pemerintahdapat melakukan antisipasi, sepertiperbaikan atau evakuasi

Bagian yang penting dalam sistem peringatan dini adalah sensor yang dapat mendeteksi pergerakan tanah.

Beberapa alat monitor gerakan tanah, seperti inclinometer danextensometer tidak cocok untuk pengukuran dalam sekala luas, distribusidan jarak jauh.

Umumnya sensor-sensor pergerakan tanah yang ada sekarang bersipatdiskret.

Kendala lain dalam monitoring di lapangan sering banyak sumberinterferensi elektomagnetik (EMI) sehingga dapat menggangu kinerjasensor dan alat lainnya.

Sensor-sensor di lapangan juga diharapkan tahan terhadap air dalamjangka panjang.


Kendala-kendala yang disebutkan sebelumnya dapat di atasi denganmenggunakan sensor yang berbasis Fibre Optics, karena keunggulan-keunggulan berikut dibanding sensor lain:

1. Imun terhadap interferensi gelombang elektromagnetik dan radiasi nuklir2. Tahan terhadap korosi dan fatigue3. Presisi tinggi4. Bisa remote sensing

5. Fleksibel, ukuran kecil (umumnya 125 – 250 µm) dan ringan6. Real time7. Dapat ditanamkan dalam struktur (embedded)8. Dapat multiplexing, memungkin pengukuran distribusi dalam satu sensor fibre optics

Karena keunggulan-keunggulan tersebut, sensor berbasis Fiber Optics cocokdigunakan untuk lingkungan-lingkungan yang kurang bersahabat.


Keunggulan Sensor Berbasis Fiber Optics

Zhu. H.H., Shi. B., and Zhang. C.C. (2017). Sensors. 17 (452)doi:10.3390/s17030452

Irawan, R., et al. (2007) Biomedical Microdevices: An International journal, BioMEMS and Biomedical Nanotechnology, 9: 413-419.

• Fiber optics (serat optik) selain digunakan untuk telekomunikasi, juga digunakan untuk sensor.

• Ada beberapa teknik sensor Fiber optics, seperti absorption (serapan), gelombang evanescent (evanescent wave), hamburan (scattering), fibreBragg gratings dan lain lain.

• Sensor fiber Bragg gratings adalah sensor fiber optics yang mempunyaigrating di bagian inti (core) fiber optics. Grating dalam Fiber optics berupamodulasi periodik dari indek bias inti fiber optics.


Prinsip Sensor In-Fibre Bragg Gratings

9https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating

UNIVERSITAS GUNADARMA(Morey et al. 1989)

Periode grating (jarak antar grating) inilah yang menentukanpanjang gelombang cahaya yang diserap/dipantulkan.

https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating

Konsep dasar sensor fibre Bragg gratings.10UNIVERSITAS GUNADARMA

Zhu. H.H., Shi. B., and Zhang. C.C. (2017). Sensors. 17 (452)doi:10.3390/s17030452

Periode grating ini akanmengalami perubahan jika adapengganggu (perturbation) pada bagian sensor tersebutdan besarnya pengganggu iniakan diterjemahkan dalambentuk pergeseran panjanggelombang cahaya yang dipantulkan dan diserap.


Massaroni. C., Saccomandi. P., and Schena. E. (2015). Journal Funct. Biomater. 6: 204-221

• Pengkodean berdasarkan panjang gelombang ini memberikan keuntungantambahan pada sensor fibre Bragg gratings, yaitu imun terhadap fluktuasiintensitas cahaya.

• Dan dapat dibuat mulplexing untuk multisensor. Caranya dengan membuatbeberapa kelompok gratings pada satu helai fibre optic yang mana setiapgroup grating mempunyai periode grating tertentu yang beda denganperiode grating pada kelompok lainnya.

12UNIVERSITAS GUNADARMAhttps://scaime.com/fibre-bragg-grating-technology

https://scaime.com/fibre-bragg-grating-technology

Contoh multisensor pada satu helai fiber optic

13

Zhou. Z. D., et. al. (July 2017). China Journal Mechanical Engineering.DOI 10.1007/s10033-017-0166-5


• Karena sensor fibre Bragg gratings ini dapat dibuat multisensor padasatu helai fibre optics serta dapat multiplexing, ia cocok untukmendeteksi distribusi perubahan atau pergerakan sesuatu, sepertipergerakan tanah sebagai tanda-tanda awal longsor.


Contoh set-up untuk melihat distribusi deformasi bahan

Malekzadeh, M.. (2014). Phd thesis. University of Central Florida, USA

• Panjang gelombang yang dipantulkan atau diserap oleh in-fibre Bragg gratings mengikuti persamaan berikut λΒ (panjang gelombang Bragg)

λΒ=2neff Λ

Dimana neff adalah indek bias efektif dari mode cahaya yang merambatdalam fibre optics dan Λ adalah periode grating dari in-fibre Bragg gratings

• Persamaan di atas menyiratkan bahwa panjang gelombang λΒ dipengaruhioleh berbagai karakteristik mekanik dan fisik pada bagian grating.

• Karakteristik inilah yang dapat digunakan untuk mendeteksi atau sensor perubahan perubahan fisis di sekitar in-fibre Bragg gratings, termasukpergerakan tanah


• Sebagai contoh kalau ada strain (perubahan dimensi) pada bagian fibreBragg gratings (misal karena ada gaya yang bekerja padanya) akanmerubah Λ dan neff karena pengaruh stress-optic. Begitu juga kalau adaperubahan suhu. Secara singkat hal ini dapat dituliskan dalam persamaanberikut

• ΔλΒ = λΒ(1-pα)Δε + λΒ(α+ξ)ΔT .................. • ΔλΒ = perubahan panjang gelombang Bragg; • pα = potoelastisitas; • α = ekspansi thermal; • ξ = koefisien thermal-optic dari fibre; • Δε = perubahan strain; dan• ΔT adalah perubahan suhu.

• Jadi bagian pertama dari persamaan di atas menunjukkan dampak daristrain dan bagian ke dua dampak dari perubahan suhu.


Untuk panjang gelombang cahaya 1550 nm, kepekaan panjanggelombang Bragg (λΒ) terhadap perubahan strain adalah 1,2 pm/μεdan kepekaan terhadap perubahan suhu adalah 10 pm/ºC (https://www.smartfibres.com/technology)

Pengaruh strain dan suhu terhadap perubahan λΒ independen satusama lain, sehingga sensor fibre Bragg grating dapat digunakan untukmengukur perubahan suhu saja atau mengukur perubahan strain saja.


https://www.smartfibres.com/technology



Fabrikasi Gratings Dalam Fibre Optics

• Laporan pertama tentang fabrikasi In-Fibre Bragg Gratings adalah olehHill et al. pada tahun 1978.

• Sejak itu beberapa aplikasi fibre Bragg gratings untuk sensor banyakdilaporkan dan aplikasi, mulai dari aplikasi untuk monitoring strukturbangunan, sensor suhu, sensor tekanan dan lain-lain.

• Ada beberapa metode fabrikasi gratings di dalam Fibre optics, tetapiyang umum dan banyak dipakai adalah dengan menyinari silica FibreOptics dengan pola interfrensi sinar UV atau ‘phase mask’.


• Inti (core) dari Fibre Optics diekspose terhadap pola interferensi sinar UV atau ‘phase mask’ sehingga terjadi modulasi indek bias bahan inti secaraperiodik.

• Gambar berikut menunjukkan metode fabrikasi grating menggunakan “phase mask.” Panjang gelombang sinar UV yang digunakan sesuai dengan panjanggelombang serapan dari bahan gelas yang mengandung germanium, umumnya menggunakan sumber UV KrF Excimer laser (248 nm)


Katsunari Okamoto. (2006). in Fundamentals of Optical Waveguides (Second Edition).

• Kepekaan bahan inti fiber optic terhadap sinar UV dapat dinaikkandengan meningkatkan konsentrasi germanium atau dengan denganmenambahkan hydrogen.




Konsep Deteksi Dini dan Monitoring Bencana Longsor

• Sekarang untuk memonitor pergerakan tanah pada kemiringanumumnya menggunakan “inclinometer,” yang terdiri dari alatpembaca/pengumpul data dan probe berbasis kelistrikan yang berfungsi untuk mendeteksi pergerakan tanah.

• Tetapi alat ini mempunyai beberapa kelemahan, di antaranya:• Butuh banyak kabel hanya untuk satu lubang monitoring• Dapat mengalami ganguan interferensi gelombang elektromagnetik• Hilangnya sinyal dalam transmisi jarak jauh• Kelemahan stabilitas untuk penggunaan jangka panjang.• Pengaruh-pengaruh vibrasi dan noises• Pengukuran secara diskrit• Kurang akurat• Tidak waterproof


• Salah satu keunggulan dari sensor Fibre Bragg Grating adalah dapatmengukur distribusi pergerakan dinamis struktur objek dengan hanyasatu helai Fibre Optics.

• Caranya dengan cara membuat beberapa group Bragg gratings padasatu helai Fibre Optics.

• Masing-masing group Bragg gratingsnya mempunyai periode grating yang berbeda-beda sehingga masing-masing mempunyai panjanggelombang Bragg (λΒ) tertentu.

• Dengan cara ini dapat diketahui besarnya pergerakan tanah di masing-masing posisi.


• Contoh setting percobaan di laboratorium untuk duasensor in-Fibre Bragg Gratings


Huanfu. P.E.I., et al. (2011). Journal of Material Science. 8: 728 - 738

• Hasil dari percobaan di laboratorium



• Konsep prinsip kerja n buah sensor Fibre Bragg gratings dalammemonitor pergerakan struktur lokalbahkan regional.


Bagiansensor yang fleksibel

Bagian fibredalam tabungrigid

𝑣𝑛 = 𝑑𝑒𝑓𝑙𝑒𝑘𝑠𝑖 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑏𝑎𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑘𝑒 𝑛

∆𝐿𝑛 = 𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑘𝑒 𝑛

𝐿𝑛 = 𝑝𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑎𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑘𝑒 𝑛


Multiple sensor fibre Bragg gratings yang tersusun secara seri pada sehelai fibreoptics dapat ditanam pada kemiringan seperti ini sehingga jika ada pergerakan lokaldi bawah tanah dapat dideteksi secara dini termasuk distribusi gerakannnya.


• Contoh setting uji coba sensor Fibre Bragg Gratings di Provinsi Sichuan, China.

27

Hu. Y., et al. (2018). International Journal of Distributed Sensor Networks. I4(5).DOI: 10.1177/1550147718776228


Pergeseran panjang gelombang Bragg (λΒ) yang diperoleh dalam uji cobaHu. Y., et al



• Hasil klibrasi pergeseran tanah yang diperoleh dalam ujicoba Hu. Y., et al



Kesimpulan• Fibre Bragg gratings punya potensi besar dalam deteksi dini bencana

longsor.

• Beberapa sensor fibre Bragg gratings sudah digunakan untuk monitor struktur bangunan, lubang-lubang pengeboran, deformasi batuan, ujicoba monitor kemiringan dalam sekala terbatas, vibrasi dan lain-lain.

• Sensor Fibre Bragg gratings dapat monitor distribusi gerakan denganmenggunakan satu helai sensor fibre optics, sementara teknik lain umumnya diskrit.


• Salah satu kendala dalam penggunan sensor in-fibre Bragg grating adalahkemampuan strain maksimum silika fibre optics hanya sekitar 5%. Fibreoptics bahan polimer punya kemampuan strain hingga 40%, tetapi sejauhini Bragg gratings hanya dapat dipabrikasi pada silika fibre.

• Salah satu tantangan penelitian ke depan adalah bagaimanamemanfaatkan sensor fibre Bragg gratings untuk monitoring pergerakantiga dimensi.

• Tantangan juga dalam aplikasi sensor fibre Bragg gratings adalah metodeinterogasi sinyal, packaging, proteksi dan embedded.

• Ke depan alat monitor dini perlu smart, remote dan multiple lokasisehingga mampu menganalasi data yang dikumpulkan, membuat model dan memprediksi kemungkinan terjadi bencana serta memberikanperingatan dini (early warning).


• Sinyalnya dapat dipantau secara cerdas (smart monitoring) dari jarakjauh.


Lokasirawanlongsor A

Lokasirawanlongsor D

Sistemmanajemeninformasibencanalongsor

Lokasirawanlongsor C

Badanpenanggulanbencana

2-way audio/videolink untukkomunitas

Peralatangadgetindividu

Rumah, panti jompo, lokasi liburan atau tempat tugas

Lokasirawanlongsor B

Comms channel

Lokasirawanlongsor E

Refrensi• Hu. Y., et al. (2018). International Journal of Distributed Sensor Networks.

I4(5). DOI: 10.1177/1550147718776228

• Zhu. H.H., Shi. B., and Zhang. C.C. (2017). Sensors. 17 (452). doi:10.3390/s17030452.

• Zhou. Z. D., et. al. (July 2017). China Journal Mechanical Engineering. Doi: 10.1007/s10033-017-0166-5

• Massaroni. C., Saccomandi. P., and Schena. E. (2015). Journal Funct. Biomater. 6: 204-221.

• T.Uchimura I., Towhata L., and Wangetal., (2015). Soilsand Foundations, 55 (5): 1086–1099.

• Malekzadeh, M.. (2014). Phd thesis. University of Central Florida, USA

• Irawan, R., et al. (2011). Biosensors and Bioelectronics, 26: 3666 – 3669.


• Huanfu. P.E.I., et al. (2011). Journal of Material Science. 8: 728 – 738

• Irawan, R., et al. (2007) Biomedical Microdevices: An International journal, BioMEMS and Biomedical Nanotechnology, 9: 413-419.

• Katsunari Okamoto. (2006). in Fundamentals of Optical Waveguides (Second Edition).

• Meltz, G.; et al. (1989). Opt. Lett. 14(15): 823–5. doi: 10.1364/OL.14.000823

• Hill, K.O., et al (1978). Appl. Phys. Lett. 32 (10): 647. doi:10.1063/1.89881

• https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating

• https://scaime.com/fibre-bragg-grating-technology

• https://www.smartfibres.com/technology


https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating

https://scaime.com/fibre-bragg-grating-technology



Documents

Potensi Penggunaan Sensor “In-Fibre Bragg Gratings” Untuk ...seminar.gunadarma.ac.id/wp-content/uploads/2020/05/...Sistem manajemen informasi bencana longsor Lokasi rawan longsor