L A P O R A N BANTUAN PENELITIAN PATEN UBER HKI

Oleh: 1. Dr. Warsito, S.Si., DEA. (KETUA) 2. Sri Wahyu Suciyati, S.Si., M.Si. (ANGGOTA) 3. Novi Irawan, S.Si. (ANGGOTA)

JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKAN DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS LAMPUNG 2007

ALAT UKUR FREKUENSI GETARAN BERBASIS

SISTEM OPTIK

2

HALAMAN PENGESAHAN

1. Judul UBER HKI : Alat Ukur Frekuensi Getaran Berbasis

Sistem Optik 2. Bidang / Seksi : Fisika 3. Ketua Pengusul a. Nama : Dr. Warsito, S.Si., D.E.A. b. Jenis Kelamin : Laki-laki c. NIP : 132137868 d. Disiplin Ilmu : Fisika Instrumentasi e. Pangkat / Golongan : Penata / IIIc f. Jabatan Sekarang : - g. Fakultas/Jurusan : MIPA / Fisika h. Alamat : Jl. Sumantri Brojonegoro 1, Bandar

Lampung 35145 i. Telp/Faks/Email : 0721 704625 / 0721 704625 /

warsito@unila.ac.id j. Alamat Rumah : Jl. Purnawirawan VII / 41 Gunung Terang,

Bandar Lampung 35152 k. Telp/Faks/Email : 08154056557 / - / - 4. Jumlah Anggota : 2 (dua) orang a. Nama Anggota 1 : Sri Wahyu Suciyati, S.Si., M.Si. b. Nama Anggota 2 : Novi Irawan, S.Si. 5. Jumlah Biaya yang Diusulkan : Rp. 20.000.000,- 6. Jenis Program yang Dipilih : Bantuan Penelitian Paten 7. Jenis Paten : Paten Sederhana 8. Penelitian yang Mendukung : 1. Penelitian Dasar 2004 : Analisis

homogeneitas tanggapan Photoresistor terhadap cahaya terkonsentrasi

2. HB Tahun II, 2006 : Sistem Uji Tak Rusak magnetik

3. Penelitian Mandiri : Efisiensi sIstem optik dan kantilever untuk alat ukur frekuensi

Bandar Lampung, November 2007

Mengetahui: Dekan FMIPA Universitas Lampung Ketua Peneliti, Prof. Dr. Ir. Sugeng P. Harianto, M.S. Dr. Warsito, S.Si., D.E.A. NIP 131129059 NIP 132137868

Menyetujui, Ketua Lembaga Penelitian Unila Dr. John Hendri, M.S. NIP 131692050

3

Judul Invensi (Penemuan) : Alat Ukur Frekuensi Getaran Mekanik Berbasis Sistem Sensor Optik dan Kantilever

Nomer Permohonan Paten atau Nomer Paten P00200800438

Nama Jurusan dan Fakultas: Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Nama Perguruan Tinggi: Universitas Lampung

Nama Para Inventor (Penemu), peneliti: Dr. Warsito, DEA. Sri Wahyu Suciyati, M.Si. Novi Irawan, S.Si.

Alamat Kontak : Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Lampung Jl. Sumantri Brojonegoro 1 Bandar Lampung 35145 Hp. 08154056557 Email : warsito@unila.ac.id

Deskripsi Invensi/temuan: Invensi ini berhubungan dengan suatu alat ukur frekuensi getaran menggunakan sistem optik yang terintegrasi dalam kantilever terbebani, sehingga apabila alat diletakkan pada objek bergetar kantilever akan ikut bergetar dan perubahan jarak ujung kantilever terhadap titik referensi akan dideteksi oleh sistem optik yang selanjutnya terhubung dengan sistem akuisisi data secara serial ke komputer. Alat ukur tersebut dapat digunakan untuk mengukur getaran mekanis dalam arah vertikal terhadap bidang horizontal sistem kasing alat.

Bidang Penerapan Invensi : (Mohon pilih sektor industri/penerapan sebagai berikut, bisa lebih dari satu) :

Instrumentasi/Alat ukur

Kontrol

Keunggulan Invensi: Bersifat sederhana, praktis dan jangkauan frekuensi dapat diatur dengan memilih jenis kantilever, serta data langsung terbaca di komputer.

Tahap Pengembangan : (Mohon pilih salah satu)

Prototipe

4

DAFTAR ISI

Halaman

Lembar Judul

Lembar Pengesahan

Daftar Isi

1 Uraian Umum 4

2 Kegiatan Bantuan untuk Penelitian Paten

2.1. Uraian Penelitian Terdahulu 5

A. Tinjauan Pustaka Singkat 5

B. Metode dan Hasil Penelitian hingga saat ini 6

C. Kesimpulan 8

2.2. Uraian Penelusuran Paten 9

2.3. Uraian Potensi Komersialisasi 10

2.4. Uraian Potensi Paten dan Proses Pendaftaran Paten 10

2.5. Uraian dan Sasaran Bantuan Penelitian untuk Paten 10

3 Hasil dan Pembahasan 11

3.1. Hasil Penelitian dan Pembahasan 11

A. Analisis sistem sensor 11

B. Analisis sistem interfacing 12

C. Analisis sistem perangkat lunak 14

D. Pengujian 15

3.2. Draft Paten 16

4 Kesimpulan 17

5 Lampiran

1. Draft Paten yang Diusulkan

2 – 4. Contoh hasil penelusuran paten di US Patent Collection

di website United State Paten and Trademark Office web site

(USPTO)

5. Program yang ada di mikrokontroler

6. Program yang ada di PC sebagai sistem akuisisi

7. Foto-foto alat yang direalisasi

5

I. URAIAN UMUM

1. Judul Penelitian /

Invensi

: Alat Ukur Frekuensi Getaran Berbasis Sistem Optik

2. Ketua Peneliti :

a. Nama Lengkap : Dr. Warsito, S.Si., DEA.

b. Jenis Kelamin : Laki-laki

c. NIP : 132137868

d. Disiplin Ilmu : Fisika Instrumentasi

e. Pangkat / Golongan : Penata / IIIc

f. Jabatan Fungsional : Lektor

g. Fakultas / Jurusan : MIPA / Fisika

h. Waktu Penelitian : 12 jam / minggu

3. Anggota Peneliti

Identitas : Anggota 1 Anggota 2

a. Nama Lengkap : Sri Wahyu Suciyati, S.Si.,

M.Si.

Novi Irawan, S.Si.

b. Jenis Kelamin : Perempuan Laki-laki

c. Disiplin Ilmu : Fisika Instrumentasi Fisika Instrumentasi

d. Fakultas / Jurusan : MIPA / Fisika -

e. Waktu Penelitian : 8 jam / minggu 8 jam / minggu

4. Subyek Paten :

5. Jumlah Klaim : 6 (enam)

6. Periode Pelaksanaan : Mei – Oktober 2007

6

II. KEGIATAN BANTUAN UNTUK PENELITIAN PATEN

1. Uraian Penelitian Terdahulu

A. Tinjauan Pustaka Singkat

1. Getaran

Getaran adalah gerak bolak balik suatu objek terhadap titik kesetimbangan. Halliday

dan Resnick,1987, mengatakan jika suatu partikel dalam gerak periodik bergerak bolak-

balik melalui lintasan yang sama, maka gerak tersebut dinamakan getaran (vibrasi) atau

gerak osilasi. Lama waktu untuk menyelesaikan satu getaran bolak-balik disebut periode

(T dalam detik) dan banyaknya getaran tiap satuan waktu disebut frekuensi (f dalam

Hertz) yang mempunyai hubungan sebagai berikut:

fT

1 (1)

2. Getaran Pada Kantilever

Kantilever merupakan bahan yang berdimensi panjang dan tipis sehingga

memungkinkan untuk melengkung apabila kepadanya dikenakan beban (Gambar 1).

Gambar 1, menunjukkan kantilever dengan massa total mb dan panjang L, kekakuan

lentur balok EI dan massa terpusat pada ujungnya yaitu m, seperti pada Gambar 1.

berikut ini:

Gambar 1. (a) Kantilever sebelum mengalami getaran akibat masa beban m.

(b) Kantilever ketika mengalami lengkung akibat m.

(a) (b)

E,I,mb

L

m

y

L

x

y

F

u

F(L-x)

7

Setelah melakukan perhitungan, maka didapat persamaan nilai frekuensi (f) getaran

alami kantilever sebagai berikut (Paz, 1993):

4

3

2

13

bmmL

IEf

(19)

dimana :

E = Modulus Elastisitas/Modulus Young (N/m2)

I = Momen Inersia bahan (kg m2)

L = Panjang kantilever (m)

m = massa kantilever (Kg) dan mb = massa beban (Kg)

B. Metode dan Hasil Penelitian

Rencana tahapan penelitian seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Pada saat ini penelitian

yang sudah dilakukan sampai pada tahap realisasi sistem sensor getaran dan rangkaian

pengkondisi sinyal. Sistem sensor ini menggunakan prinsip utama sensor optik dan

kantilever. Sensor optik terdiri dari sumber cahaya menggunakan LED dan penerima

cahaya menggunakan LDR. Hasil perancangan sensor getaran seperti ditunjukkan

dalam Gambar 3.

Gambar 2. Tahapan penelitian.

Pada Gambar 2, tahapan sistem interfacing untuk akuisisi data ke dalam komputer

(tahapan mulai ADC 0804 hingga PC) diharapkan dapat diselesaikan dengan dana

UBER HKI tahun 2007 ini dan selanjutnya dapat diproses untuk pengurusan paten

karena berdasar hasil penelusuran paten, belum ditemukan alat sejenis.

Getaran pada objek akan dideteksi oleh sensor getaran yang menghasilkan sinyal

keluaran berupa sinyal analog sebagai fungsi waktu. Selanjutnya sinyal diolah oleh

rangkaian pengkondisi sinyal hingga siap untuk dikonversi menjadi sinyal digital oleh

ADC 0804. dan selanjutnya dihubungkan ke komputer menggunakan prinsip

interfacing serial.

8

Kantilever yang digunakan terbuat dari bahan tipis sejenis silet stain less steel yang

mempunyai daya lentur tinggi dan ketahanan terhadap keadaan awal kuat. Prinsip

utama dari sensor adalah perubahan jarak antara sumber cahaya dan penerima akibat

getaran akan menghasilkan sinyal yan berbeda pula. Sinyal inilah yang selanjutnya

direkan untuk dianalisis sebagai fungsi nilai frekuansi getaran.

Gambar 3. Foto hasil perancangan sensor berprinsip sistem optik dan kantilever.

Data hasil kalibrasi tanggapan sensor LDR terhadap jarak LED seperti ditunjukkan pada

Gambar 4. Data kalibrasi tersebut selanjutnya dimanfaatkan sebagai dasar analisis

frekuens getaran objek yang terukur. Sistem tampilan selanjutnya akan diproses

menggunakan PC sehingga didapatkan data langsung yang berupa nilai frekuensi

getaran dan bentuk sinyal dari sumber getaran tersebut.

Gambar 4. Hasil kalibrasi tanggapan LDR terhadap perubahan jarak LED.

Jarak LED Vs Tegangan Output Fototransistor

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Jarak (mm)

Te

ga

ng

an

ou

tpu

t (V

olt

)

9

C. Kesimpulan

Hasil penelitian menunjukkan bahwa sangat memungkinkan merealisasi alat ukur

frekuensi dari sebuah getaran mekanis menggunakan prinsip sensor optik dan

kantilever. Tahapan yang belum direalisasi pada penelitian ini adalah system

interfacing akuisisi data ke komputer yang kami harapkan dapat diselesaikan

dengan menggunakan dana UBER HKI 2007 ini, sehingga dapat dilanjutkan pada

proses berikutnya.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1. Hasil Penelitian dan Pembahasan

Foto keseluruhan alat yang direalisasi seperti pada Gambar 5, yang terdiri dari : system

sensor, pengkondisian sinyal, system catu daya dan rangkaian interfacing (ADC0804,

Mikrokontroler 89C51 dan MAX232).

1 2 3

Gambar 5. Foto keseluruhan system yang direalisasi : 1. sistem sensor, 2. sistem

pengkondisian sinyal dan interfacing, 3. kabel serial untuk komunikasi dengan DB9 PC.

10

A. Analisis sistem sensor

Sistem sensor getaran merupakan hasil dari sistem perancangan mekanis dan elektris

yang terdiri dari LED sebagai sumber cahaya, fototransistor sebagai pendeteksi cahaya,

dan kantilever sebagai komponen mekanis yang akan bergetar ketika sistem mengalami

getaran. Bentuk fisik dari sensor getaran serta sistem casing dapat dilihat pada Gambar

6 di bawah.

1 2 3 4

Gambar 6. Sistem sensor getaran dan kemasannya. 1. Kantilever, 2. Fototransistor, 3.

LED dan 4. Beban massa sebagai pemberat.

Keluaran dari sistem op-amp selanjutnya akan diolah oleh rangkaian ADC sehingga

dapat terhubung dengan mikrokontroler.

Sensor getaran yang telah direalisasikan ini memiliki frekuensi natural yang berasal dari

kantilever dan nilainya dapat dihitung secara manual menggunakan persamaan seperti di

bawah :

4

2

1

k

p

p

mmy

gmf

Dengan menggunakan persamaan tersebut dapat diketahui frekuensi natural sensor

getaran yang telah dibuat. Pada penelitian ini, hasil pengukuran diperoleh sebagai

berikut:

- massa pemberat (mp): 0,28 x 103 kg

- massa kantilever (mk): 0,2 x 103 kg

- simpangan (y): 24 x 10-3

m

- gravitasi (g): 10 m/s2

11

Dengan memasukkan data-data ini ke dalam persamaan, maka diperoleh:

4

102,01028,01024

10.1028,0

2

13

33

3

xxx

xf

994,2f Hz

Jadi frekuensi natural sensor getaran adalah 2,994 Hz.

B. Analisis sistem interfacing

Sistem interfacing direalisasi secara serial dengan tujuan agar sistem akusisi dapat

dilakukan pada jarak yang relatif lebih jauh dibandingkan dengan sistem paralel.

Rangkaian yang direalisasi seperti tampak pada Gambar 7.

Gambar 7. Foto sistem interfacing serial yang direalisasi.

Rangkaian ini interfacing ini terdiri dari rangkaian ADC 0804, rangkaian

mikrokontroler AT89C51, dan rangkaian MAX-232.

C. Analisis sistem perangkat lunak

Perangkat lunak pada prinsipnya terdiri dari dua tahapan, program yang ada di

mikrokontroler yang berfungsi untuk mengkonversi sinyal paralel menjadi sinyal serial

yang selanjutnya dikuatkan oleh MAX232 (Lampiran 5). Sedangkan perangkat lunak

yang kedua adalah perangkat lunak untuk sistem akuisisi data ke PC (Lampiran 6).

Perangkat lunak untuk sistem interfacing menggunakan program Delphi versi 6.0

contoh tampilan keluaran pada PC seperti ditunjukkan pada Gambar 8.

12

Tahapan penting dalam sistem interfacing adalah inisialisasi yaitu untuk menentukan

alamat port serial, jenis register yang digunakan, serta alamat dan konfigurasi terhadap

register yang digunakan tersebut. Alamat port serial yang digunakan dalam penelitian

ini adalah 3F8H, sedangkan register-register yang digunakan adalah Line Control

Register (LCR), Divisor Latch Low Byte, Divisor Latch High Byte, Line Status Register

(LSR).

Gambar 8. Contoh tampilan keluaran pada PC.

Frekuensi audio generator yang digunakan pada pengukuran ini adalah 1 – 16 Hz. Hasil

pengukuran getaran speaker berupa grafik-grafik getaran. Pada pengukuran getaran

speaker dengan frekuensi audio generator 9 Hz diperoleh grafik getaran seperti yang

terlihat pada Gambar 9.

13

Gambar 9. Contoh grafik hasil pengukuran getaran speaker menggunakan frekuensi

audio generator 9 Hz

3.2. Draft Paten

Draft paten selengkapnya ada pada Lampiran 1.

IV. KESIMPULAN

Alat ukur frekuensi getaran yang direalisasi terdiri dari beberapa bagian utama yaitu :

sistem sensor (LED, fototransistor, kantilever), system pengkondisi sinyal, system

interfacing, peerangkat lunak dan PC. Berdasarkan hasil pengujian, alat mampu

mengukur getaran berfrekuensi rendah sekitar 3 Hz, kemampuan mengukur frekuensi

getaran dapat ditingkatkan dengan mengatur dimensi kantilever dan massa beban.