Rancang Bangun Sistem Pengukuran Kadar Mikroplastik dalam Air Menggunakan Sensor Serat Optik Multimode

Fadia, Sada Annisa (2024) Rancang Bangun Sistem Pengukuran Kadar Mikroplastik dalam Air Menggunakan Sensor Serat Optik Multimode. Diploma thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 2042201069-Undergraduate_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2026. Download (2MB) | Request a copy

Abstract

Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan alat ukur fleksibel dan praktis untuk mendeteksi dan mengukur kadar mikroplastik dalam air. Dengan memanfaatkan teknologi serat optik multimode menggunakan prinsip fiber optic evanescent wave, alat ini menggunakan sensor serat optik yang telah dikupas dan dilapisi pati-gelatin sebagai pengindar, serta laser dioda sebagai sumber cahaya dan fotodioda sebagai penerima cahaya. Sebagai kontroler, alat ini menggunakan FPGAs dan transimpedance amplifier untuk mengubah arus dari fotodioda menjadi tegangan yang dapat diukur, serta dilengkapi dengan program database untuk menyimpan data secara otomatis, memungkinkan pengguna untuk melihat riwayat hasil pengukuran alat. Serat optik OM3 dan OM4 diuji, dan hasil menunjukkan bahwa serat optik multimode OM4 memiliki stabilitas yang lebih baik dibandingkan dengan serat OM3, menghasilkan hasil yang lebih halus dan konsisten. Pengujian mencakup berbagai konsentrasi mikroplastik (100, 200, 300, 400, 500 ppm) dan mengungkapkan tren yang jelas bahwa daya optik menurun seiring dengan peningkatan kadar mikroplastik. Perubahan indeks bias yang disebabkan oleh mikroplastik dalam serat yang dilapisi pati-gelatin mempengaruhi refraksi cahaya dan interaksi gelombang evanescent. Menurut hukum Lambert-Beer, pelemahan cahaya meningkat dengan panjang lintasan dan konsentrasi mikroplastik yang lebih tinggi. Kinerja sensor menggunakan OM4 diukur dengan korelasi linear antara keluaran tegangan TIA (Transimpedance Amplifier) dan keluaran daya optik OPM, dengan model regresi linear y = a + b × x yang memiliki intersep -24.1158 ± 0.703 dan kemiringan 0.00278 ± 0.0043672. Jumlah kuadrat sisa adalah 0.00168, mengukur total kesalahan kuadrat antara nilai sebenarnya dan yang diprediksi oleh model, dengan angka yang lebih rendah menunjukkan akurasi yang lebih tinggi. Nilai Pearson's r sebesar 0.95394 menunjukkan korelasi positif yang kuat antara variabel independen dan dependen, sedangkan nilai R-Square (COD) sebesar 0.91 menunjukkan model dapat menjelaskan 91% variasi dalam data, menunjukkan kecocokan yang sangat baik. Nilai R-Square yang disesuaikan sebesar 0.8875 mempertimbangkan jumlah variabel independen, menawarkan ukuran kecocokan model yang lebih tepat, dan nilainya yang mendekati R-Square menunjukkan bahwa model tersebut stabil dan tidak overfitting. Persentase kesalahan yang diukur pada berbagai konsentrasi sampel mikroplastik (ppm) berkisar antara 0.067% hingga 0.141%, menunjukkan variasi yang relatif kecil. Perbedaan minimal antara kesalahan tertinggi dan terendah, sekitar 0.027 dBm, menunjukkan pengukuran yang konsisten. Hal ini menunjukkan bahwa sensor serat optik sangat menjanjikan untuk aplikasi yang membutuhkan deteksi mikroplastik yang akurat dalam air.
==============================================================================================================================
This research aims to develop a flexible and practical measuring tool for detecting and measuring microplastic levels in water. Utilizing multimode optical fiber technology with the working principle of fiber optic evanescent wave, this tool employs optical fiber sensors that have been stripped and coated with a starch-gelatin layer as the sensing element, along with a laser diode as the light source and a photodiode as the light receiver. As the controller, the tool uses FPGAs and transimpedance amplifier to convert the current from the photodiode into a measurable voltage, and it is equipped with a database program to automatically store data, allowing users to view the history of the tool's measurements. OM3 and OM4 optical fibers were tested, and the results showed that OM4 multimode optical fiber demonstrated better stability compared to OM3, yielding smoother and more consistent results. Testing covered various microplastic concentrations (100, 200, 300, 400, 500 ppm) and revealed a clear trend of decreasing optical power with increasing microplastic levels. The refractive index changes caused by microplastics in the starch-gelatin-coated fiber affect light refraction and evanescent wave interactions. According to Lambert-Beer's law, light attenuation increases with longer path lengths and higher microplastic concentrations. The performance of the sensor using OM4 was measured with a linear correlation between the TIA (Transimpedance Amplifier) voltage output and the OPM optical power output, with the linear regression model y = a + b × x having an intercept of -24.1158 ± 0.703 and a slope of 0.00278 ± 0.0043672. The residual sum of squares was 0.00168, measuring the total squared error between the actual values and those predicted by the model, with lower numbers indicating higher accuracy. Pearson's r value of 0.95394 indicated a strong positive correlation between the independent and dependent variables, while the R-Square (COD) value of 0.91 showed that the model could explain 91% of the data variation, indicating a very good fit. The adjusted R-Square value of 0.8875 considered the number of independent variables, offering a more precise measure of model fit, and its close value to the R-Square indicated that the model was stable and not overfitted. The percentage error measured at various microplastic sample concentrations (ppm) ranged from 0.067% to 0.141%, showing relatively small variations. The minimal difference between the highest and lowest errors, approximately 0.027 dBm, indicated consistent measurements. This suggests that the optical fiber sensor is highly promising for applications requiring accurate microplastic detection in water.

Item Type:	Thesis (Diploma)
Uncontrolled Keywords:	Mikroplastik, Sensor Serat Optik, Fiber Optic Evanescent Wave, Pengukuran Kadar Mikroplastik dalam Air, Microplastics, Fiber Optic Sensor, Measurement of Microplastic Concentration in Water
Subjects:	T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA1573 Detectors. Sensors T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA1800 Fiber Optics T Technology > TA Engineering (General). Civil engineering (General) > TA1815 Optical fiber detectors. Bragg gratings.
Divisions:	Faculty of Vocational > Instrumentation Engineering
Depositing User:	Sada Annisa Fadia
Date Deposited:	15 Aug 2024 05:19
Last Modified:	15 Aug 2024 05:19
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/114528

Actions (login required)

View Item