Schema et montage électronique d'un détecteur de métaux très sensible

 

le détecteur de métaux (ou “poêle à frire”, à cause de la forme de sa “tête” chercheuse) que nous vous proposons de construire ne coûte pas une fortune pour autant, mais il est doté d’une sensibilité telle que vous ne ratisserez pas les hectares de votre contrée d’élection (plage, campagne, ruines, etc.) pour rien. Vous aurez eu, même si vous ne découvrez pas la Chèvre d’Or ou le Trésor des Templiers du premier coup, au moins la joie de vous initier à la théorie de la détection souterraine et de construire vous-même un excellent appareil… et, pourquoi pas, avec du matériel de récupération comme une canne anglaise pour le manche ? La partie la plus critique de ce détecteur de métaux étant la tête réceptrice (constituée de trois selfs équilibrées), nous en avons trouvé une déjà montée et réglée : vous avez donc l’assurance que votre appareil fonctionnera tout de suite, sans avoir à passer l’été à tenter de le mettre au point ! Les vacances sont toujours trop brèves, trop, en tout cas, pour les laisser gâcher par l’intendance ! Mais, trêve de préliminaires, voyons tout de suite comment fonctionnent les détecteurs de métaux en général et le nôtre en particulier. Il en existe quatre types

Voyez son schéma synoptique fi gure 1 : il possède une self détectrice (la “poêle”) située au bout d’un manche. Le signal produit par la self est mélangé avec une fréquence identique prélevée sur un second oscillateur. Le mélange des deux fréquences en produit une troisième égale à leur différence. Si la self détectrice oscille sur 100 kHz, la self de l’oscillateur interne aussi doit osciller sur 100 kHz et le mélange de ces deux fréquences en donne une troisième égale à la différence, soit :
                                                           100 000 – 100 000 = 0 Hz.

Si un objet métallique s’approche de la self détectrice, sa fréquence diminue de manière proportionnelle à la taille de l’objet et inversement proportionnelle à la distance le séparant de la tête. Si, par exemple, la fréquence produite descend à 99 700 Hz, le mélange de cette fréquence avec celle de 100 000 Hz produite par l’oscillateur interne donnera une différence de :
                                                             100 000 – 99 700 = 300 Hz
Schéma électrique du détecteur de métaux à selfs équilibrées. Le circuit est alimenté par deux piles 6F22 de 9 V,
insérées dans les deux équerres latérales utilisées pour fixer le petit haut-parleur dans le boîtier plastique :

 

métaux à variation d’amplitude sont de qualité semi-professionnelle et, à la différence des autres, ils sont insensibles aux variations thermiques. Si, par exemple, l’étage oscillateur produit un signal de 1 V d’amplitude, il suffi t d’approcher de la self détectrice un petit objet métallique pour que cette tension chute brutalement à 0,9 V. Si, ensuite, on approche un objet métallique de moyennes dimensions, la tension chute au-dessous de 0,1 V. Ce signal alternatif est redressé pour en tirer une tension continue appliquée sur les entrées d’un amplifi cateur différentiel : sur l’une des entrées de l’amplifi cateur opérationnel est appliqué un condensateur électrolytique (fi gure 2). Il va sans dire que ce condensateur électrolytique se charge avec la valeur d’amplitude maximale, 1 V dans notre exemple. Quand la self détectrice n’est infl uencée par aucun objet métallique, sur les deux entrées de l’amplifi cateur différentiel la tension
de 1 V est présente et donc à la sortie la tension est de :
1 – 1 = 0 V.
Dès que la self détectrice est infl uencée par un objet métallique, instantanément l’amplitude de son signal baisse et, si par exemple elle atteint 0,9 V, nous retrouvons cette tension seulement sur l’entrée de l’amplifi cateur différentiel à laquelle le condensateur électrolytique n’est pas relié. En effet, sur l’entrée opposée à celle comportant le condensateur électrolytique est toujours présente une tension de 1 V, car le condensateur électrolytique n’a pas eu le temps de se décharger. Par conséquent, sur une des entrées de cet amplifi cateur différentiel nous avons une tension de 0,9 V et sur l’autre une tension de 1 V. Si cet amplifi cateur différentiel est calculé pour un gain de 15 fois, nous trouvons en sortie
une tension de :
(1 – 0,9) x 15 = 1,5 V.
Cette tension est utilisée pour exciter un étage oscillateur BF produisant une note audible dans le casque ou le hautparleur. Le détecteur de métaux à impulsions Voyez son schéma synoptique fi gure 3 : normalement, dans la tête des détecteurs de métaux à impulsions se trouve une self fonctionnant alternativement en émettrice et en réceptrice. Quand elle est émettrice, la self est excitée par une série d’impulsions à ondes carrées alors que, quand elle est réceptrice, elle capte les impulsions réfl échies par le sous-sol. Si les impulsions sont infl uencées par des objets métalliques, leur front de montée est modifié et cette différence est utilisée pour
exciter un étage oscillateur BF produi-sant une note audible dans le casque
ou le haut-parleur. Bien que ces détecteurs
de métaux soient d’un coût élevé et qu’on les considère comme semi professionnels, ils ont selon nous une
sensibilité moindre que ceux à variation d’amplitude

  

Le détecteur de métaux à selfs équilibrées
Voyez son schéma synoptique fi gure 4 : dans la tête des détecteurs de métaux à selfs équilibrées se trouvent trois selfs, mais de dehors on n’en voit que deux. La self externe, de diamètre supérieur, est utilisée comme
émettrice et les deux autres, montées en opposition de phase, sont utilisées comme réceptrices. Ces dernières
sont placées au centre de la tête, de manière à annuler le signal produit par la self émettrice. Lorsque la tête est approchée d’un objet

  

Figure 9a : Schéma d’implantation des composants de la platine du détecteur de métaux à selfs équilibrées. Sur les broches
du connecteur de la tête détectrice sont marqués les numéros 4-2 et 1-3 destinés à éviter toute erreur de câblage. Le circuit
imprimé est double face à trous métallisés, si vous le réalisez vous-même, n’oubliez pas toutes les liaisons indispensablesentre les deux faces.

Liste des composants :


R1 ......... 2,2 kΩ
R2 ......... 10 kΩ
R3 ......... 5,6 kΩ
R4 ......... 10 kΩ
R5 ......... 12 kΩ
R6 ......... 4,7 kΩ
R7 ......... 27 kΩ
R8 ......... 10 kΩ
R9 ......... 100 kΩ
R10 ....... 1 MΩ pot. lin.
R11 ....... 100 kΩ
R12 ....... 100 kΩ
R13 ....... 10 kΩ
R14 ....... 22 kΩ
R15 ....... 100 kΩ
R16 ....... 10 kΩ
R17 ....... 10 kΩ
R18 ....... 10 kΩ
R19 ....... 10 kΩ
R20 ....... 10 kΩ
R21 ....... 10 kΩ
R22 ....... 100 kΩ
R23 ....... 4,7 kΩ
R24 ....... 10 kΩ
R25 ....... 1 M
R26 ....... 10 kΩ pot. lin.
R27 ....... 270 kΩ
R28 ....... 100 kΩ
R29 ....... 12 kΩ
R30 ....... 100 kΩ trimmer
R31 ....... 2,2 kΩ
R32 ....... 1 kΩ
R33 ....... 10 kΩ pot. lin.
R34 ....... 33 kΩ
R35 ....... 10 kΩ
R36 ....... 15 kΩ
R37 ....... 47 kΩ
R38 ....... 100 kΩ
R39 ...... 100 kΩ
R40 ....... 10 kΩ
R41 ....... 22 kΩ
R42 ....... 2,2 kΩ
R43 ....... 1 M
R44 ....... 10 Ω
C1 ......... 820 nF polyester
C2 ......... 680 nF polyester
C3 ......... 100 nF polyester
C4 ......... 10 nF polyester
C5 ......... 22 nF polyester
C6 ......... 47 nF polyester
C7 ......... 100 nF polyester
C8 ......... 220 pF céramique
C9 ......... 100 pF céramique
C10 ....... 10 nF polyester
C11 ....... 100 nF polyester
C12 ....... 100 nF polyester
C13 ....... 100 nF polyester
C14 ....... 100 nF polyester
C15 ....... 47 μF électrolytique
C16 ....... 100 nF polyester
C17 ....... 47 nF polyester
C18 ....... 47 nF polyester
C19 ....... 10 nF polyester
C20 ....... 1 μF polyester
C21 ....... 100 nF polyester
C22 ....... 47 μF électrolytique
C23 ....... 100 nF polyester
C24 ....... 100 nF polyester
C25 ....... 100 nF polyester
C26 ....... 100 nF polyester
C27 ....... 100 μF électrolytique
C28 ....... 100 nF polyester
C29 ....... 100 nF polyester
C30 ....... 220 μF électrolytique
C31 ....... 100 nF polyester
C32 ....... 100 μF électrolytique
C33 ....... 100 μF électrolytique
DS1....... Diode 1N4148
DS2....... Diode 1N4007
TR1........ PNP BC557
TR2........ NPN BC547
TR3........ NPN BC547
TR4........ PNP BC557
IC1 ........ Intégré NE5532
IC2 ........ Intégré NE5532
IC3 ........ CMOS 4017
IC4 ........ Intégré NE5532
IC5 ........ CMOS 4053
IC6 ........ Intégré NE5532
IC7 ........ Intégré CA3130
IC8 ........ Intégré MC78L12
P1 ......... Poussoir
S1 ......... Interrupteur
HP ......... Haut-parleur 0,2 W

  

Figure 9b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double
face à trous métallisés, côté composants.
Figure 9b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double
face à trous métallisés, côté soudures.
Figure 11 : En face avant sont fixés, en
plus du haut-parleur, les trois potentiomètres,
le poussoir P1 et l’interrupteur
S1. Contre les deux équerres prennent
place les deux piles 6F22 (figure 12).
Figure 10 : Pour fixer
le haut-parleur en face
avant, utilisez deux
équerres et 4 entretoises
constituées de boulons
avec deux écrou

Commençons par le NPN TR1, monté en oscillateur pour exciter la self émettrice du cercle extérieur de la tête. Avec les valeurs choisies pour C1 et C2, la self devrait osciller à 5 500 Hz et produire un signal d’environ 10 Vpp d’amplitude. La fréquence n’est pas critique et par conséquent si elle oscille à 5 300 ou 5 700 Hz, à cause de la tolérance des condensateurs, les caractéristiques et la sensibilité du détecteur de métaux ne seront pas du tout altérées. Le signal produit est capté par les deux selfs en opposition de phase à l’intérieur de la tête et le faible signal présent en sortie, environ 0,004 Vpp quand la self n’est infl uencée par aucun objet métallique, est appliqué à l’entrée non inverseuse du premier amplifi - cateur opérationnel IC2-A. Cet amplifi cateur opérationnel amplifi e le signal 22 fois et on trouve donc un signal de sortie de 0,09 V. C10 achemine ce signal vers les entrées inverseuses (signe –) des deux amplifi cateurs opérationnels
IC2-B et IC4-A. Le premier amplifi cateur opérationnel IC2-B amplifi e le signal environ 4,5 fois, mais avec une inversion de phase de 360°. Ces signaux, déphasés de 180° et de 360°, sont appliqués sur les entrées du commutateur électronique IC5-A, se comportant comme un redresseur à double demionde et, par conséquent, nous retrouvons à sa sortie des demies ondes positives à 11 000 Hz, soit à une fréquence double de celle de 5 500 Hz produite par l’étage oscillateur TR1. Plus on approche un objet métallique de la tête et plus l’amplitude des demies ondes positives sortant du commutateur électronique IC5-A augmente. Ces demies ondes, fi ltrées par R22 et C16, nous permettent d’obtenir une tension
continue laquelle, appliquée à l’entrée non inverseuse de l’amplifi cateur opérationnel IC4-B, est amplifi ée 100 fois. Si l’on tourne le curseur du potentiomètre R33 vers la sortie de l’amplifi cateur opérationnel IC4-B, nous obtenons la sensibilité maximale, vers R32 la sensibilité minimale. La tension prélevée sur le potentiomètre R33 est appliquée à l’entrée non inverseuse de l’amplifi cateur opérationnel IC6-B et prélevée à sa sortie pour être appliquée au commutateur électronique IC5-C. Ce commutateur, s’ouvrant et se fermant à la fréquence de 550 Hz, produit une note modulée qui, amplifi ée par TR2, TR3 et TR4, pilote un haut-parleur ou un casque.Plus grande est la valeur de la tension à la sortie de l’amplifi cateuropérationnel IC6-B et plus élevée est l’intensité de la note. Le dernier amplifi cateur opérationnel
IC7, en bas à droite du schéma électrique, sert à équilibrer le signal de sortie de manière à rendre muet l’amplifi -cateur en absence d’objet métallique. Le curseur du potentiomètre de remise à zéro R27 est tourné de façon à annuler complètement la faible note que l’on pourrait entendre en absence d’objet métallique, quand le curseur du potentiomètre de sensibilité R33 est tourné au maximum. Sachant que beaucoup de terrains contiennent des poussières métallifères, nous avons inséré dans le circuit le poussoir P1 pour corriger automatiquement les petits déséquilibres pouvant se produire quand on explore ce type de terrains avec le détecteur de métaux réglé pour la sensibilité maximale.

  

Figure 13 : Avant de fixer les trois
potentiomètres en face avant, vous
devez en raccourcir les axes afin de
pouvoir fixer correctement les boutons
(à quelques mm du panneau).
La rondelle et les écrous servent
à tenir à distance du panneau les
équerres en L et à fixer le hautparleur.

l’amplificateur opérationnel IC3, le CMOS 4017. La fréquence de 5 500 Hz, appliquée
sur la broche 14 de IC3, est prélevée
sur la broche 3 divisée par 10
et nous retrouvons donc sur cette broche
une onde carrée à 550 Hz utilisée
pour piloter le commutateur électronique
IC5-C. Ce détecteur de métaux ne comporte pas d’instrument de mesure car, outre le fait que cela eût compliqué le schéma, sa présence eût joué au détriment de la sensibilité de l’appareil. Par dessus le marché, ce galvanomètre n’est pas strictement nécessaire car, lorsqu’on explore un terrain, l’audition est plus naturelle et spontanée que l’observation visuelle du petit déplacement d’une aiguille sur un cadran. En effet, on ne regarde le cadran du galvanomètre qu’après avoir entendu la note dans le casque et cela n’est donc pas
indispensable.
L’alimentation
Pour alimenter ce détecteur de métaux, on utilise deux piles de 9 V type 6F22en série, ce qui fait une tension totale de 18 V. Cette tension est seulement utilisée pour alimenter l’étage amplifi cateur BF constitué de TR2, TR3 et TR4. Tous les autres étages du détecteur de métaux sont alimentés avec une tension de 12 V stabilisée par le régulateur intégré IC8 MC78L12.

La réalisation pratique de détecteur de métaux :
Si vous suivez avec attention les fi gures 8 à 12 et en particulier la fi gure 9a, vous ne devriez pas rencontrer de problème pour monter ce détecteur de métaux : procédez par ordre, afi n de ne rien oublier, de ne pas intervertir les composants se ressemblant, de ne pas inverser la polarité des composants polarisés et de ne faire en soudant ni court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée. Quand vous êtes en possession du circuit imprimé double face à trous métallisés (dessin à l’échelle 1 des deux faces fi gure 9b 1 et 2), montez tous les composants comme le montre la fi gure 9a. Placez d’abord les 7 supports des circuits
intégrés et vérifi ez que vous n’avez oublié de souder aucune broche. Montez toutes les résistances, en contrôlant soigneusement leurs valeurs (classez-les d’abord), et le trimmer R30. Montez maintenant les diodes au silicium, bagues noires repère-détrompeurs tournées dans la direction indiquée par la fi gure 9a. Montez ensuite tous les condensateurs céramiques et polyesters, en appuyant bien leurs boîtiers à la surface du circuit imprimé et les électrolytiques, en respectant bien la polarité +/– de ces derniers (la patte la plus longue est le + et le – est inscrit sur le côté du boîtier cylindrique). . Montez enfi n les transistors TR1 à TR4 et le régulateur IC8, méplats repèredétrompeurs tournés dans les directions montrées par la fi gure 9a.
Montez en haut à gauche le bornier à 4 pôles : vous y visserez ensuite les deux prises de piles 6F22. Enfoncez et soudez, en haut et en bas de la platine, tous les picots destinés aux connexions extérieures que vous effectuerez une fois le montage dans le boîtier réalisé. Assurez-vous de n’avoir rien oublié. Insérez maintenant (à moins que, puristes, vous ne préfériez attendre la fi n de l’installation dans le boîtier et que la toute dernière soudure soit refroidie !) les circuits intégrés, repère-détrompeurs en U orientés dans les sens montrés par la figure 9a, soit tous vers le bas. Le montage dans le boîtier Aucun problème si vous regardez bien
les fi gures 10 à 15 et en particulier la fi gure 12. Sur la poignée en plastique du manche fi xez le panneau arrière en aluminium formant le fond du boîtier console avec des entretoises métalliques de 5 mm (fi gure 15) : ces entretoises servent en outre à maintenir le circuit imprimé à 5 mm de ce fond métallique. A l’extrémité de ce panneau arrière, fi xez aussi le connecteur mâle socle où viendra ensuite s’insérer
la fi che femelle du cordon allant à la tête détectrice (fi gure 15). Prenez alors la face avant en aluminium et fi xez les 3 potentiomètres, le poussoir P1, l’interrupteur S1 de M/A et le haut-parleur (en vous servant pour ce
dernier de deux équerres en L : fi gures 10 et 11). Ces deux équerres servent en outre à fi xer les deux piles 6F22 à l’intérieur du boîtier plastique (fi gure 12). La face avant en aluminium est à fi xer sur le boîtier plastique par 4 petits boulons, après avoir bien sûr réalisé les 4 trous dans le plastique. Profi tez-en pour
pratiquer un autre trou dans le plastique de la petite paroi du boîtier pour le passage du jack femelle (prise casque), voir fi gure 14. Sauf si vous décidez de vous contenter du haut-parleur. Avec des morceaux de fi l isolés plastique, reliez tous les picots des bords du circuit imprimé aux cosses des potentiomètres, du poussoir, de l’interrupteur, de la prise jack et du haut-parleur, en les ordonnant si possible en faisceau.
Câblez aussi le connecteur allant à la tête détectrice. N’oubliez pas les deux prises de piles en respectant bien
les polarités (fi gure 9). Avant de fi xer le boîtier plastique sur la poignée du détecteur de métaux, réglez le trimmer
Le réglage :
Le détecteur de métaux fonctionne dès le premier essai mais, pour obtenir la sensibilité maximale, vous devez encore régler le trimmer “d’offset” R30. Avant d’exécuter ce réglage, mettez la tête sur une table ou un tabouret non métallique. Après avoir tourné le bouton des potentiomètres R10, R26 et R33 à micourse, vous devez relier entre TP1 et la masse un multimètre sur fonction cc et portée 10 ou 15 V fond d’échelle.
Tenez pressé le poussoir P1 et tournez lentement le curseur du trimmer R30 jusqu’à lire une tension de 6 V exactement. Enlevez le multimètre, fermez le boîtier plastique et cherchez un terrain dont vous voulez explorer le sous-sol : cet expérience de terrain vous permettra en outre d’acquérir un peu de pratique, car c’est seulement en utilisant votre appareil que vous pourrez localiser, en vous fi ant aux variations de son, des objets métalliques plus ou moinsgros enfouis dans la terre

Comment l’essayer ? :
Avant de vous aventurer sur un quelconque terrain à la recherche des “trésors” dont vous rêvez, nous vous conseillons de vous faire un peu la main sur un terrain proche de votre maison (votre jardin, par exemple). Demandez à un ami d’enterrer à une profondeur de 10 cm environ ces trois objets :
- une pièce de un euro,
- une cuillère à soupe,
- une boîte de bière ou de soda en métal,
que vous devrez ensuite retrouver en modifi ant la sensibilité du détecteur de métaux en agissant sur le potentiomètre R33. Après avoir tourné le bouton du potentiomètre de sensibilité R33 vers la position désirée, soit minimale - moyenne - maximale, appuyez la tête (du détecteur !) sur le sol (après avoir vérifi é qu’aucun métal ne s’y trouve) et, le haut-parleur émettant une note, tournez lentement le bouton du potentiomètre de remise à zéro R26 jusqu’à la position pour laquelle la note cesse. Si la note est encore faiblement audible,
tournez le bouton du potentiomètre d’équilibrage R10 pour l’annuler. Ne vous étonnez pas si, en tournant le bouton de R33 pour la sensibilité maximale, il est plus diffi cile d’annuler complètement cette note. Pour y parvenir nous vous conseillons de - presser P1 et tourner le bouton de mise à zéro R26 jusqu’à trouver la
position dans laquelle la note s’atténue au maximum, - relâcher P1 et tourner le bouton d’équilibrage R10 jusqu’à trouver la position pour laquelle la note disparaît complètement. Si un résidu demeure, il suffi t de
réduire légèrement la sensibilité avec le bouton de R33. Quand vous entendez une faible note, la sensibilité du
détecteur de métaux sera réglée au maximum et il vous sera donc facile de trouver une pièce de la taille d’un euro à une profondeur de 17 à 18 cm. Pour découvrir les 3 objets métalliques dissimulés dans le terrain, nous vous conseillons de sélectionner les trois sensibilités différentes de manière à comprendre comment varie la note en fonction de la profondeur où se trouve l’objet. Quand ce test est terminé, allez dans un terrain quelconque pour vous consacrer à la recherche proprement dite : il va de soi que vous devrez
tenir la tête détectrice très près du sol pour pouvoir distinguer de petits objets métalliques enterrés à faible profondeur de grandes masses métalliques à des profondeurs plus importantes.
Tout ce que vous devez savoir Si vous explorez un terrain en zigzaguant au hasard, vous réussirez diffi cilement à trouver quelque chose. Pour une recherche plus fructueuse, vous devez agir de manière systématique en parcourant le terrain comme le font les paysans pour les semis (fi gure 18) : ainsi chaque mètre carré sera visité par la tête de l’appareil. Si vous trouvez sur un oppidum préhistorique ou un castrum médiéval une pièce de monnaie ancienne, un anneau ou une fi bule, vous savez que vous vous trouvez
dans une zone intéressante pour vos trouvailles et donc n’omettez pas le moindre pouce du lopin. Les terrains
venant d’être labourés sont très fructifères, car le soc fait remonter à la surfaceles objets enfouis plus profondément. Souvenez-vous qu’avant d’enter dans
un terrain privé vous devez demander l’autorisation au propriétaire et que celui-ci a des droits sur les objets éventuellement découverts, de même que les services archéologiques offi ciels en ont aussi et qu’ils ont le devoir et ledroit de vous empêcher de saccager un site, même si vous en êtes l’inventeur
par hasard.Par contre sur les plages au petit matin ou le soir à la fraîche, vous ne trouverez sans doute guère de sesterces ou de ducats, mais des montres et des bijoux perdus par les baigneurs (je vous fais grâce des capsules de canettes) : rapportez-les au bureau des objets trouvés (pas les capsules !) et, en cas de non réclamation, au bout d’un an et un jour ces objets seront à
vous en pleine propriété.
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