L’histoire du détecteur de métaux

Dans le cadre de notre guide pour bien débuter en détection, nous nous attaquons aujourd’hui à l’histoire du détecteur de métal. Car vous étiez nombreux à nous demander une telle série d’articles. Du savant Graham Bell qui avait utilisé une de ses inventions pour tenter de « détecter » et déloger une balle dans le dos du président américain James Garfield en 1881 (tentative qui se solda par un échec à cause de l’armature métallique du lit !), jusqu’aux premiers détecteurs d’un certain Mr Fisher qui déposa un premier brevet en 1937, vous deviendrez incollables sur les évolutions qu’ont connues nos machines préférées depuis 100 ans.

Bref historique des détecteurs de métaux et de l’induction utilisée

Les premiers détecteurs de métaux sont apparus dans l’armée 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. Les premiers détecteurs étaient toutefois peu performants pour la détection d’objets de petites tailles et étaient particulièrement sensibles à la minéralisation du sol (présence de corps ferreux, notamment dans les régions volcaniques). C’est au cours de la seconde guerre mondiale qu’apparurent les évolutions majeures.

La technique de balance d’induction à basse fréquence, apparue en 1944, est d’ailleurs encore employée de nos jours. Les développements marquèrent ensuite une pause jusqu’au milieu des années 60. A cette époque, Von Colani mit au point l’induction par impulsion dont les avantages notables sont une sensibilité moindre aux milieux ferreux tout en proposant une portée plus importante ainsi que la faculté de distinguer certains métaux. Les détecteurs de métaux employés aujourd’hui par les démineurs relèvent, le plus généralement, de l’induction par impulsion. Les modèles commercialisés ont atteint une maturité telle qu’un simple bouton de réglage ajuste le niveau de sensibilité et un second le niveau sonore de l’alarme. Ils ont une autonomie importante et leur ergonomie permet une utilisation prolongée allant jusqu’à quelques heures. Ils sont donc très facilement utilisable par du personnel non qualifié.

Fondements scientifiques pour l’utilisation du détecteur

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 dans l’objet de métal par la circulation d’un courant dans les spires de la bobine (loi de Biot et 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 métal est une bobine, il n’est sensible qu’aux variations temporelles du flux magnétique embrassant la bobine (loi de Lenz). 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 électriques du conducteur (loi d’Ohm) et des caractéristiques spatiales et temporelles du champ d’excitation. En résumé, un détecteur de métal est un capteur actif, générant un champ magnétique variant dans le temps comme source d’excitation, et mesurant la présence d’un éventuel champ rétro-induit par les parties métalliques des objets enterrés. Les détecteurs de métaux sont donc aussi appelés détecteur à induction magnétique.

Les techniques d’induction à champ magnétique sinusoïdal permanent en détection

Les premiers détecteurs de métaux utilisaient un capteur à une bobine générant un champ magnétique sinusoïdal en permanence et à fréquence fixe. Ils utilisaient une technique empruntée à la radio : le battement de fréquences. Ces détecteurs étaient peu performants, et surtout particulièrement sensibles aux propriétés électromagnétiques du sol. La généralisation de la balance d’induction qui emploie une association de deux bobines judicieusement disposées permet en partie de compenser certains effets indésirables tout en augmentant la sensibilité. Toutefois, la technique la plus performante reste l’induction par impulsion qui est très peu sensible à la présence de corps ferreux, et qui, de plus, autorise une certaine forme de discrimination.

Le battement de fréquences

La technique de battement de fréquences est très connue en radio puisque elle est mise en œuvre pour la démodulation des ondes AM (en français : Modulation d’Amplitude). Les signaux de deux oscillateurs travaillant à des fréquences voisines sont mélangés et le produit de ce mélange est filtré pour ne conserver que les composantes BF (Basse Fréquence). Le signal BF alimente directement un amplificateur audio et un hautparleur. Les oscillateurs utilisés sont des circuits résonants, dont l’un utilise la bobine du capteur comme inductance. La tonalité du hautparleur varie en présence de métal en donnant une note plus aiguë. En revanche, un élément ferreux provoque le phénomène inverse, la tonalité est plus grave. Cette technique présente deux problèmes majeurs.

Les circuits résonants ne sont pas stables en fréquence. Ils sont en particulier très sensibles à la température. De plus, les bobines étant sensibles aux corps ferreux, elles interagissent 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. Pour ces raisons, les détecteurs à circuits résonants ont été progressivement abandonnés, remplacés par les détecteurs à balance d’induction ou à induction pulsée. Ces circuits résonants ne se trouvent aujourd’hui que dans les détecteurs de quatre sous.