technique

Fonctionnement d’un détecteur de métaux

 Comment ça marche les détecteur de métaux ?

S’il n’est pas nécessaire de savoir comment un détecteur de métaux fonctionne pour l’utiliser efficacement, cela peut néanmoins s’avérer utile pour en améliorer l’efficacité ! Je vous propose ici une petite présentation du principe de fonctionnement du plus courant des types de détecteurs (les détecteurs VLF), dans la mesure de mes connaissances et de ce que j’ai pu en lire, dans l’espoir que cela pourra vous aider à y voir plus clair…

Mais rappelez-vous que le meilleur détecteur de métaux du monde ne pourra jamais être meilleur que celui qui l’utilise

Principe de fonctionnement d’un détecteur de métaux :

Un détecteur de métaux fonctionne en exploitant un phénomène physique connu de tous les étudiants en sciences (et découvert par Michael Faraday en 1831) : l’induction électromagnétique.Ce phénomène pourrait être présenter de la façon suivante :Tout objet conducteur de courant, soumis à une variation de champ magnétique (variation d’intensité et/ou de direction), se voit parcouru à l’intérieur de son volume par des courants électriques induits, appelés courants de Foucault. Les caractéristiques de ces courants (force et sens) dépendent des caractéristiques de la variation du champ magnétique et de la nature de l’objet (forme, conductivité, etc…). Les courants de Foucault qui apparaissent au sein de l’objet conducteur en question, génèrent à leur tour un champ magnétique rayonnant autour de l’objet. Par phénomène d’induction, les variations de ce champ magnétique pourront à leur tour induire une circulation de courant dans une masse conductrice proche.Dans un détecteur de métaux, il suffira donc de savoir « recueillir » ce courant et de l’analyser pour pouvoir identifier la présence d’un objet métallique. Nous allons voir comment les détecteurs de métaux exploitent ce phénomène pour remplir leur office.

Les détecteurs V.L.F. (Very Low Frequency : Très basse fréquence)

Sous cette appellation, nous allons parler des détecteurs à très basse fréquence ( < 30 kHz) et à basse fréquence (entre 30 kHz et 300 kHz).
Ce type de détecteur est de loin le plus répandu (et le moins cher). A vrai dire 95 % des appareils du marché en font partie.

Dans la tête de détection (disque) se trouvent deux bobines de fil :

1) La bobine émettrice :

Cette bobine, traversée par un courant électrique alternatif sinusoïdal (inversée plusieurs milliers de fois par seconde), génère tout autour d’elle un champ magnétique (dont la polarisation s’inverse à la même fréquence que celle du courant). La fréquence à laquelle cette inversion s’effectue n’est autre que la fréquence de fonctionnement de votre appareil dont vous parlent les publicités (operating frequency). Nous appellerons cette fréquence « F ».

courbe du courant traversant la bobine émettrice

Lorsqu’un objet métallique passe dans ce champ magnétique en perpétuel changement de polarité (polarité inversée 1/F fois par seconde), des courants de Foucault apparaissent en son sein. Ces courants génèrent à leur tour un champ magnétique fluctuant, qui tend à compenser le champ magnétique généré par la bobine émettrice.

2) La bobine réceptrice :

Une autre bobine de fil située dans la tête de détection va réagir au champ magnétique émis par notre objet métallique (cette bobine est agencée de telle façon que le courant que devrait induire le champ magnétique de l’émetteur soit quasiment annulé).
Un courant induit apparait alors à ses bornes. Ce courant, amplifié et traité par l’électronique du détecteur permet de fournir au prospecteur des informations (sons, vu-mètre, affichage digital, etc…), sur la présence d’un objet métallique sous la tête de détection. Le signal reçu à travers la bobine réceptrice apparaît retardé par rapport au signal émis par la bobine émettrice. Ce délai est le résultat de deux caractéristiques que possèdent tous les matériaux conducteurs :    – La résistance (tendance qu’a le conducteur à s’opposer à la circulation de courant en son sein)
- L’inductance (tendance qu’a le conducteur à s’opposer aux changements de circulation de courant en son sein)

Ce délai s’appelle le « décalage de phase ». Les plus grands décalages de phase sont observés pour les objets métalliques dont l’inductance est la meilleure : les gros objets, épais, faits de métaux très bons conducteurs (comme l’argent, l’or ou le cuivre). Des décalages de phase plus faibles apparaissent pour des objets principalement  » résistants  » : les objets plus petits, plus fins ou moins bons conducteurs.

Un exemple non contractuel d’un décalage de phase entre signal émis et signal reçu

Certains « matériaux », mauvais, voire très mauvais conducteurs sont susceptibles de générer un fort signal. Ce sont les « ferro-magnétiques ». Une substance ferro-magnétique aura tendance à devenir magnétisée lorsqu’elle est plongée dans un champ magnétique (un peu comme un trombone se transforme momentanément en aimant quand on le met en contact avec un aimant). Le décalage de phase généré par ces objets est très faible, voire inexistant.La plupart des terres et des sables contiennent de petits grains de minéraux (on parle alors de la minéralisation du sol). Ces grains ont un comportement ferro-magnétique important face au détecteur.

Les tirettes et autres capsules en acier ont, elles, des propriétés à la fois ferromagnétiques et électriques.

La discrimination :

Puisque pour chaque type de métal et d’objet, le signal reçu par la bobine réceptrice montre un décalage de phase particulier par rapport au signal émis, il est possible d’arriver à différencier un métal d’un autre, juste en analysant leurs décalages de phase respectifs. Par exemple, une pièce en argent aura un décalage de phase nettement supérieur à celui d’une tirette en alu.

Partant de ce principe, un détecteur pourra être conçu pour ne sonner que sur la pièce en argent et ignorer la tirette. Cette faculté à distinguer les cibles métalliques les une par rapport aux autres s’appelle la « discrimination ».

Discrimination classique :
La forme la plus simple de discrimination consiste à permettre au détecteur de métaux d’émettre un son quand il passe sur une cible dont le décalage de phase dépasse une certaine valeur (valeur le plus souvent ajustable par potentiomètre). Malheureusement, avec ce type de discrimination, le détecteur risque de perdre de petits objets en or (entre autres) voire des pièces, si la discrimination est réglée suffisamment haute pour rejeter l’aluminium (papier alu, tirettes, capsules, etc…).

Discrimination Notch :
Un système plus efficace consiste à n’accepter (ou rejeter pour les appareils les plus perfectionnés) qu’une certaine plage de décalage de phase. C’est la discrimination Notch. Avec ce système, vous pouvez par exemple n’accepter que la bande correspondant aux alliances en or et rejeter tout le reste (en théorie). Vous pouvez aussi (avec les appareils les mieux conçus), rejeter la bande qui correspond aux tirettes aluminium sans prendre le risque de perdre ce qui se trouve en dessous (en terme de décalage de phase).

Discrimination visuelle :
Certains détecteurs de métaux permettent d’obtenir via un vu-mètre ou un écran LCD, des informations sur l’identité de la cible. Ce système de discrimination visuelle, associé à la discrimination sonore, donne au prospecteur des informations supplémentaires lui permettant de mieux faire son choix entre creuser ou non.

Certains détecteurs de métaux peuvent « identifier » un objet en se basant sur une table de rapports d’inductance sur résistance. Ces rapports, permettent de prédire un décalage de phase pour un type d’objet donné à une fréquence donnée. En utilisant plusieurs fréquences fixes ou variables, le détecteur est capable, en fonction de la réaction de l’objet détecté à chacune de ces fréquences, de prédire son « identité ».

Toute la difficulté de la discrimination réside dans le fait qu’un objet donné avec un décalage de phase donné à une certaine profondeur et avec une certaine orientation (à plat pour une pièce par exemple), peut avoir un décalage de phase dramatiquement différent à une autre profondeur et avec une orientation différente (pièce sur la tranche dans notre exemple). De plus, la forme de l’objet y fait également beaucoup ! L’induction électromagnétique est assez forte pour un objet circulaire (bague par exemple), où le courant circule en circuit fermé. Lorsque l’objet est « ouvert » (tige de métal par exemple), l’induction est nettement moindre.
Pour une alliance en or, par exemple, cela pourra engendrer des résultats très différents, suivant que l’anneau sera intact ou cassé.
Dans tous les cas, la discrimination doit être utilisée avec prudence. Si elle est d’une aide certaine dans beaucoup de situations, elle n’est jamais sûre à 100%. Même avec un système Notch, lorsque par exemple vous rejetez la bande correspondant aux tirettes en alu, vous avez toujours un risque non négligeable de perdre également un bijou en or qui d’après sa forme, sa position et sa profondeur dans le sol sera interprété comme appartenant à la bande rejetée.

Compensation des effets de sol :

Comme vu précédemment, la plupart des sables et des terres contiennent une certaine quantité de minéraux, dissous dans l’eau contenue dans le sol, ainsi que des particules de fer ou d’autres métaux. Cela a pour effet que le détecteur reçoit un signal dû au sol lui-même, qui parfois peut être très supérieur en force au signal d’un petit objet métallique à profondeur moyenne.
Heureusement, le décalage de phase du signal dû aux effets de sol reste à peu près constant sur une zone de terrain donnée. Avec un traitement électronique approprié sur ce décalage de phase, il est possible dans le détecteur d’annuler les effets de ce signal, même si celui-ci change en intensité (lorsqu’on lève ou baisse la tête de détection par exemple ou qu’on passe sur un trou ou une bosse).

La forme la plus simple de compensation d’effet de sol consiste en un potentiomètre que l’on règle en levant et en abaissant la tête de détection en ayant mis son détecteur sur le mode approprié. Bien que cette méthode soit efficace, elle peut paraître rébarbative et difficile aux yeux de la plupart des gens.

Les détecteurs plus élaborés permettront un réglage automatique de la compensation des effets de sol. Seules deux mises au point sont nécessaires : une la tête levée et l’autre la tête baissée.

Dans des modèles encore plus perfectionnés, le réglage se fera automatiquement au fur et à mesure de la prospection, tenant ainsi compte des changements d’effet de sol du terrain.

Un bon système de compensation d’effet de sol est sensé être réglé une fois pour toute en début de séance et fonctionner ainsi toute la journée sans avoir besoin d’y toucher (pour un sol donné).

Attention : certains détecteurs, ventés dans des pubs comme ayant une compensation d’effet de sol automatique, ne possèdent en fait qu’un mode « préréglé » : valeur fixe de compensation, réglée à l’usine et sensée être adaptée à la plupart des terrains.

Mode balayage (motion) :

Bien que le signal dû à l’effet de sol puisse être bien plus intense que le signal d’une cible, il reste relativement constant alors que la tête passe sur le sol. Par contre, la puissance du signal en provenance d’une cible va croître très rapidement lorsque la tête passe au-dessus de l’objet et diminuer lorsque la tête s’en éloignera.En utilisant ce phénomène, nous sommes capables de séparer les signaux d’effet de sol de ceux d’une cible, en analysant le taux de variation du signal, plutôt que signal lui-même. Le mode opératoire des détecteurs de métaux fonctionnant sur ce principe est appelé « Mode Balayage » (Motion mode), car bien sûr ils ne peuvent indiquer une cible que si la tête balaie le sol.Ceci explique que certains détecteurs donnent des résultats très différents suivant la vitesse à laquelle vous balayez le terrain ! Heureusement aujourd’hui, beaucoup de modèles, plus stables, s’affranchissent de cet inconvénient et fonctionnent aussi bien avec un balayage lent qu’avec un balayage rapide.

A l’heure actuelle, tous les détecteurs utilisant la discrimination le font en mode balayage. Ce n’est pas vraiment un inconvénient, vu que de toutes façons, pour couvrir le terrain, nous devons procéder à des balayages !

Mode statique (non-motion), Pinpoint et Seuil :

Une fois la cible localisée en mode balayage, il est préférable de pouvoir la localiser plus précisément qu’en balayant sans cesse le sol ! Cette localisation précise (Pinpoint) est effectuée grâce au mode « tous métaux ». Comme par définition, la discrimination n’est pas requise pour cette fonction, le balayage est inutile, excepté pour centrer le mieux possible la tête sur la cible (et là, la vitesse de balayage est absolument sans importance). C’est pourquoi le mode « tous métaux » est aussi appelé « mode statique » (non-motion). Associé au mode statique et au pinpoint, on trouve le réglage de seuil (Threshold adjust). Ce réglage est souvent matérialisé sur le détecteur par un bouton poussoir (parfois marqué « pinpoint », puisqu’il lui est directement associé). Ce réglage permet de prendre pour seuil (niveau de signal à partir duquel le détecteur sonne), le niveau capté au moment où on appuie sur le bouton. En gros, le détecteur se règlera pour retrancher au signal reçu la valeur du signal capté lors de l’appui sur le bouton.Cela aura pour conséquence d’éliminer la composante « effet de sol » du signal (à une distance du sol donnée) et ainsi de n’entendre que la cible lorsqu’on passera dessus (toujours à la même distance donnée). Si on abaisse la tête de détection, le signal dû à l’effet de sol augmentera et fera sonner le détecteur. Il faudra alors à nouveau appuyer sur le bouton pour réajuster le seuil en le diminuant.Idem si on lève la tête de détection à l’aplomb de la cible : le détecteur captera un signal dont la puissance sera en dessous du seuil. Il ne sonnera plus. Il faudra donc appuyer à nouveau sur le bouton pour augmenter le seuil en conséquence.Sur certain modèle, l’ajustement du seuil se fait automatiquement. Le seuil est alors augmenté et diminué graduellement de façon à obtenir un léger son en limite de seuil. L’avantage de ce système est qu’il permet de compenser les petites variations de l’effet de sol, ainsi qu’un mauvais réglage de la compensation. L’inconvénient majeur est qu’il nécessite un balayage pour fonctionner. C’est pourquoi vous entendrez parler de détecteurs ayant un « véritable mode statique » (True Non-Motion mode) », dépourvu de d’ajustement automatique de seuil.

Une autre source de confusion est que certains détecteurs permettent un réglage de la discrimination sur une position 0, qui laissera passer tous les métaux. Le mode de fonctionnement restant celui de la discrimination (mode balayage), on ne peut pas parler de mode « tous métaux ». On entendra alors souvent parler du mode « 0 Disc ».

Contrôle par Microprocesseur :

Je ne ferais pas l’affront aux initiés de donner dans le détail la définition du microprocesseur. Pour faire court, on pourrait dire que le microprocesseur est un circuit intégré électronique complexe qui permet d’exécuter les opérations logiques, arithmétiques et de contrôle dont un ordinateur a besoin pour fonctionner. C’est le cœur ou plutôt le cerveau d’un ordinateur. Il est capable d’exécuter des séquences d’instructions élémentaires appelées « programmes », à une vitesse élevée (plusieurs millions d’instructions par seconde). L’utilisation des microprocesseurs dans les détecteurs de métaux à ouvert des possibilités inimaginables seulement quelques années en arrière ! Avec le microprocesseur, tous (ou presque) les réglages se font par l’intermédiaire d’un unique écran à cristaux liquides et par la manipulation d’un clavier. Un système de menus permet à partir d’un menu principal d’avoir accès à tous les paramètres de la machine et de les modifier suivant les besoins (chaque configuration de paramètres peut être sauvegarder indépendamment en mémoire, ce qui permet de pouvoir les rappeler à tous moments si besoin est, sans avoir à tout régler à nouveau). Sur un détecteur « classique », ajouter de nouvelles fonctions veut dire : ajouter de nouveaux circuits électroniques, de nouveaux boutons, potentiomètres, etc… Avec le microprocesseur, ajouter une fonction peut se résumer à modifier le programme interne de la machine (sans ajout de circuit). Et fort est à parier qu’un jour (proche ?), on pourra mettre à jour le système d’un détecteur comme le Spectrum, simplement en le connectant à son PC et en allant chercher l’update sur Internet ! Messieurs les constructeurs…Cela peut paraître un peu compliqué, mais si vous ne voulez pas vous encombrer de réglages et de manipulations complexes, vous pouvez toujours utiliser des paramétrages pré-réglés en usine. Tel programme vous assurera une prospection sans capsule alu, tel autre sera optimisé pour la détection des pièces, etc…Un avantage très intéressant aussi est que les capacités du microprocesseur peuvent être mises à profit pour améliorer grandement l’analyse du signal dans la discrimination sonore. Et rien n’empêche de profiter de cette puissance pour affiner le rendu du son (modulation en amplitude et en hauteur potentiellement très fine). L’affichage sur écran à cristaux liquides permet également beaucoup d’amélioration, comme par exemple l’analyse visuelle du signal à l’aide de bar-graph ou de courbes de réponse, qui rendent le travail d’interprétation beaucoup plus simple pour le prospecteur.

Attention cependant, le microprocesseur n’est pas un outil miracle ! Par exemple, si vous rejetez le papier d’alu et qu’une petite chaîne en or vient à avoir un signal très proche du dit papier, vous la perdrez aussi bien qu’avec un détecteur classique ! En plus, ces appareils demandent une longue expérience pour qui veut vraiment bien s’en servir et en tirer le maximum !

Conclusion :

Bien que les détecteurs VLF aient plusieurs décennies d’existence derrière eux , de nouvelles innovations continueront à voir le jour. Des machines plus performantes, plus puissantes, plus simples d’utilisation sont amenées à apparaître. Tant qu’il y aura des prospecteurs et des marchés « juteux » (États-Unis, Australie, Angleterre, etc…) et qu’il y aura des choses à trouver, fort est à parier que la recherche se poursuivra pour mettre à notre disposition les détecteurs du futur !