Les détecteurs de métaux

Résumé du document

Dans le cadre d'un sujet ayant pour thème Variabilité - Limite - Stabilité, nous avons décidé d'axer notre TIPE sur l'étude d'un capteur, et le détecteur de métaux nous a semblé être un bon sujet et a fortiori en rapport avec le programme de physique de spécialité.
Le détecteur de métaux est une machine d'une relative complexité. Si son principe s'avère assez simple, c'est sa précision, sa profondeur de recherche et sa capacité à différencier le métal détecté qui rend la machine complexe. Divers facteurs affectent alors la recherche de métaux comme la forme de l'objet, la composition du sol... mais le phénomène de détection est toujours le même : l'induction magnétique.

Tout d'abord, qu'est‐ce qu'une bobine ?
Une bobine d'inductance, ou solénoïde, est un enroulement d'un fil conducteur autour d'un noyau isolant ou non. Ce matériau peut être du plastique, du métal, du verre, l'air...
A quoi correspond l'inductance L dont on nous parle tant ?
Lorsqu'une bobine est parcourue par un courant électrique, il se crée autour de celle‐ci, un champ électromagnétique proportionnel à l'intensité du courant. Autrement dit, si on alimente une bobine avec un courant variable, un champ magnétique se crée. Or ce champ magnétique induit est variable donc induit un champ électrique et perturbe donc le courant variable initial ! Le champ magnétique créé s'oppose au courant qui lui a donné naissance : c'est cela l'auto‐induction.

Extraits

[...] Le système BFO a été le premier système de détection utilisé pour les détecteurs de métaux. Créé dans les années 1930, il a permis de développer des modèles quiservaient principalement au déminage pendant la seconde guerre mondiale. S'ils arrivaientà détecter très facilement des mines antichars composées d'une grosse masse de fer, ils montraient leurs limites face aux mines anti personnelles, principalement enrobées par du bois ou de la bakélite et contenant un minium de pièces de métal et les explosifs. [...]

[...] Expérimentalement, on montre que l'inductance d'une bobine est caractérisée par : le diamètre de la bobine en cm la longueur de la bobine en cm la densité linéique de spires c'est‐à‐dire l (avec N nombre de spires) un coefficient K lié à la géométrie de la bobine (en particulier du rapport voir le tableau de Hantaro Nagaoka D'après la formule de Nagaoka, l'inductance de la bobine est alors égale à: L=K (π n l 1000 où L est en micro‐Henrys (µH) 3 Effet du champ magnétique sur les ferromagnétiques On a présenté sommairement la bobine et le phénomène d'auto‐induction car ce sont les notions que l'on va utiliser dans la détection. Il faut maintenant essayer de comprendre comment se comporte une bobine lorsqu'un ferromagnétique est à proximité. [...]

[...] Escouade de l'US Army utilisant un détecteur de mines SCR‐625 de type BFO. Mine antichar de 30 cm de diamètre de la seconde guerre mondiale aisément détectable par ce système 10 Balance d'induction (VLF : Very Low Frequency) Principe : Induction mutuelle . Ici, le dispositif de détection est composé de deux bobines : une émettrice, l'autre réceptrice. La première est alimentée par un générateur sinusoïdal de basse fréquence couplé avec la deuxième de tel sorte que leur induction mutuelle soit nulle à vide. [...]

[...] De plus, la bobine étant sensible aux corps ferreux, elle interagit avec les sols minéralisés et la réponse du détecteur varie avec la hauteur (distance détecteur sol). Ces deux problèmes occasionnent des variations de tonalité sans rapport avec une détection. Les variances : Comme nous l'avons dit, on repère un ferromagnétique l'oreille” donc il peut être plus intéressant de placer un autre système qui nous indique les plus petites variations. Malheureusement, dans la pratique, l'instabilité du système nous ne permet pas facilement de trouver un dispositif performant (exemple : PPL : boucle à verrouillage de phase). Un exemple de schéma technologique est donné ci dessous. [...]

[...] Ce qui rend la détection difficile mais il reste un système fiable ! Les autres avantages de ce type de détecteurs est que, par une mesure du déphasage du courant induit dans la bobine de réception (par rapport au courant de départ), il est possible de déterminer la conductivité du métal détectée donc de savoir quel métal on a détecté. De plus, la profondeur de l'objet est également détectable grâce à l'analyse du temps de réponse du signal déphasé (la plupart des détecteurs mis sur le marché ont une sensibilité de l'ordre de 50 cm). [...]