Etude globale d’un detecteur de metaux

Une mine, qu’elle soit antipersonnel ou antichar, terrestre ou marine, est traditionnellement composée d’une charge d’explosif et d’un dispositif d’allumage (le détonateur). Une grande quantité de mines emploie des détonateurs contenant des parties métalliques (aiguille, ressort, bille, …). Ainsi, dès l’usage massif des mines au début de ce siècle, les détecteurs de métaux ont contribué à leur détection et à leur localisation.

Les premiers détecteurs de métaux en opération sont apparus vers la fin de la 1ère guerre mondiale. Ils connurent un intérêt dans le domaine civil entre les deux guerres avec notamment la recherche et la localisation de certains vestiges archéologiques (chercheurs de trésors). Cette activité représente encore aujourd’hui une part essentielle du marché.

L’électronique est depuis son origine une branche de l’industrie dont l’évolution se perpétue. Que de chemin parcouru depuis la découverte de la lampe amplificatrice. Cette dernière a laissé sa place au révolutionnaire transistor qui a été, en quelque sorte, le précurseur de la miniaturisation. L’arrivée des circuits intégrés a bouleversé toutes les branches de l’électronique :

• l’amplificateur opérationnel a transformé la conception des schémas qui traitent les signaux dans le domaine temporel ;
• la PLL a permis des progrès considérables pour le traitement des signaux dans le domaine fréquentiel ;
• le microprocesseur vous permet de lire ce texte.

DETECTEUR DE METAUX

Rappels

❖ L’une des propriétés essentielles du métal est sa faculté de conduire l’électricité. C’est cette propriété sur laquelle se fondent les détecteurs de métaux en détectant la circulation d’un courant électrique dans les éléments métalliques des objets recherchés. Cette détection s’appuie sur le champ magnétique induit par la circulation du courant (loi de Biot-Savart). Il faut donc mesurer la présence d’un champ magnétique induit par un courant circulant dans un conducteur métallique. Comme le capteur d’un détecteur de métaux est une bobine, il n’est sensible qu’aux variations temporelles du flux magnétique embrassant la bobine (loi de Lentz).

❖ Toutefois, un courant électrique ne circule pas naturellement dans un conducteur au repos. Le système de détection doit donc au préalable tenter de forcer le passage d’un courant pour pouvoir en mesurer les effets. Pour cela, on utilise les mêmes propriétés que celles décrites précédemment.

❖ La bobine du détecteur, ou l’une des bobines s’il y en a plusieurs, sert de bobine d’excitation en générant un champ magnétique. Il est important que ce champ varie dans le temps, ainsi, le circuit électrique alimentant la bobine génère un courant alternatif et périodique dont la forme est soit sinusoïdale, soit pulsée. Tout élément métallique baignant dans ce champ est le siège de courants de Foucault. Ces courants s’établissent en fonction des propriétés électrique du conducteur (loi d’Ohm) et des caractéristiques spatiales et temporelles du champ d’excitation.

Détecteur de métaux

Principe de fonctionnement
Tout d’abord il faut expliquer brièvement comment marche un détecteur de métaux. L’appareil est composé d’un système électromagnétique équilibré, qui envoie un flux d’ondes perpendiculairement à la palette de détection. Ce flux traverse toutes les matières, mais quand il rencontre un métal, il engendre par induction un « courant de Foucault », c’est à dire une sorte de rayonnement, qui déséquilibre le système et émet un signal sonore.

Les détecteurs de métaux peuvent localiser n’importe quel objet à partir du moment où celui-ci est composé totalement ou partiellement de métal. Cette présence métallique peut être du fer, ou tout autre métal non ferreux : or, argent, platine, cuivre, bronze, plomb, aluminium etc., sous n’importe quelle forme, tôles, grilles, tubes, monnaies ou autres. Même recouverts d’une couche protectrice ou d’un isolant, la détection peut se faire à travers tous matériaux.

Définition technique
Un bobinage (fil dans lequel passe un courant électronique) crée un champ électromagnétique autour de lui-même. Ce champ électromagnétique est le champ de détection du disque. C’est pour cette raison que l’on entend un signal à sa force maximale lorsque le centre du disque de détection passe au dessus de l’objet détecter.

Lorsqu’un métal entre dans le champ de détection, le champ est déséquilibré et le signal sonore augmente.

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Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : ETUDE GLOBALE D’UN DETECTEUR DE METAUX
I-1-Objectif
I-2-Principe général de la conception
I-2-a-Schéma généralisé
I-2-b-Détecteur à déséquilibre de pont
Principe
Schéma
I-2-c- Détecteur à déséquilibre de champ
Principe
Schéma
I-2-d- Détecteur à variation de fréquence
Principe
Schéma
Chapitre 2 : LES DIFFERENTS CAPTEURS
II-1-Généralités sur les capteurs
II-1-1-Définitons
a- Mesurande
b- Capteur
c- Types de grandeur physique
II-1-2-Classification des capteurs
a- Capteurs passifs
b- Capteurs actifs
II-2-Principales caractéristiques des capteurs
L’étendue de mesure
La sensibilité
La rapidité
La précision
II-3-Définitions métrologiques
2-3-a-Les erreurs de mesures
2-3-b-Limite d’utilisation
II-4-Capteur de métaux
a- Montage oscillant
b- Les capteurs inductifs
c- Les capteurs capacitifs
REMARQUE
II-5-Choix d’un capteur
Chapitre 3 : DETECTEUR DE METAUX
RAPPELS
III-1-Détecteur de métaux
a- Principe de fonctionnement
b- Définition technique
III-2- Capteur de métaux : bobine de détection
a- Caractéristique de la bobine
LOI DE LENZ
b- La tension et le courant dans la bobine
III-3- Décalage de phase de la bobine
1- La bobine émettrice
2- La bobine réceptrice
III-4- Famille des détecteurs de métaux
a- BFO (Battement de fréquence)
b- IB- TR (Balance induction- émetteur récepteur)
3- VLF (très basse- fréquence) (ou aussi TR ou IB)
4- Induction pulsé
III-5- Modes de recherche
Chapitre-4-ETUDE D’UNE BOUCLE À VERROUILLAGE DE PHASE
IV-1-Introduction
a- But
b- Notions de phase et de fréquence instantanées
IV-2- Principe et constitution générale d’une PLL
1- Principe de base
2- Eléments constitutifs
3- Schéma fonctionnel simplifié initial
4- Schéma fonctionnel simplifié complet
IV-3- Principe de fonctionnement : plage de capture et plage de verrouillage
a- Plage de capture
b- Plage de verrouillage
c- Caractéristique statique générale
IV-4- Analyse quantitative- Fonctions de transfert
1- Schéma de principe d’une boucle à verrouillage de phase
a- Schéma fonctionnel dans le domaine temporel
b- Schéma fonctionnel dans le domaine de fréquence
2- Fonction de transfert des différents éléments
3- Fonction de transfert d’une PLL
a) Rappels sur les systèmes asservis
b) Schéma fonctionnel définitif
c) Fonction de transfert de la chaîne directe
d) Fonction de transfert de la boucle fermée
e) Etude de la stabilité de la boucle dans le cas d’un filtre RC
Expressions littérales de ω0 et m
Choix de m
Choix de la structure du filtre
Application numérique
Chapitre 5 : LES ELEMENTS CONSTITUTIFS D’UN DETECTEUR DE METAUX A PLL
I-1- Les différents oscillateurs
Oscillateurs sinusoïdaux
Conditions d’oscillations
• Oscillateur à Pont de Wien
• Oscillateur à réseau déphaseur
• Oscillateur en « double T »
• Oscillateur Colpitts
Calcul de la valeur de l’inductance L
I-2- Stabilité d’un oscillateur
II- PLL
a- Eléments constitutifs
• Comparateur de phase
• Filtre
• Oscillateur à relaxation
b- Caractéristique linéarisée du VCO avec saturation
III- Amplificateur : Amplificateur différentiel
a- But
b- Schéma de principe
Chapitre 6 : LE LOGICIEL WORKBENCH
CONCLUSION