Détecteur de métal PI

[Tropique]

Hello,

Me revoilà pour vous proposer l'étude d'un détecteur de métal. Ce ne sera pas un projet de grande envergure, plutot une plateforme didactique permettant de se familiariser, avec peu de moyens, avec les principes et les blocs de fonction d'un tel engin.
Le but est de permettre à ceux qui sont intéressés par ces techniques d'en acquérir une bonne compréhension, et de construire une base de départ fonctionnelle, que chacun pourra étoffer en connaissance de cause, pour l'adapter à ses besoins (ou envies).
La maquette sera donc modeste, mais parfaitement fonctionnelle, et offrira même des performances intéréssantes, compte tenu de sa simplicité.
Voyons d'abord quels sont les principes de détection, et la classification des types de détecteurs.

Méthodes de détection:
Il y a deux grandes catégories générales dans ces méthodes: celles qui se basent sur le fait qu'un métal est conducteur pour y induire un courant, et les autres.
Nous nous intérésserons à la première; les autres utilisent par exemple les propriétés magnétiques des métaux ferreux. Les magnétomètres sensibles, qui se basent sur les perturbations du champ magnétique terrestre, entrent dans cette catégorie.

Pour exploiter l'effet des courants induits dans la cible, il y a un certain nombre de méthodes. L'idée générale est d'envoyer un stimulus (champ magnétique variable), et de récupérer un signal affecté par la présence de la cible.

Pour envoyer le signal, le collecter, le traiter, diverses configurations et techniques sont utilisées.

Il peut paraitre logique d'utiliser deux bobines, une pour l'émission et l'autre pour la réception, mais en pratique, ce n'est pas obligatoirement le cas: parfois, une seule bobine remplit les deux rôles, parfois ce sont des arrangements de trois bobines, voire plus qui sont mis en oeuvre.
Au niveau de l'émission du stimulus, et de la manière de traiter le signal de retour, pas mal de variantes sont également possibles: on peut travailler à fréquence fixe, de manière scalaire ou vectorielle.
Une détection vectorielle permettra de traiter la phase du signal en plus de sa simple amplitude, et donnera des informations supplémentaires sur la nature de la cible.
On peut également travailler à fréquence variable: l'exemple le plus rudimentaire étant le BFO, et les plus sophistiqués des analyseurs de réseau adaptés à cette fonction.
Enfin, on peut se baser sur le domaine temporel plutot que fréquentiel: le détecteur Pulse Induction entre dans cette classe.
On peut remarquer que les domaines fréquentiel et temporel sont théoriquement équivalents. Ils donnent en principe les mêmes informations sous des formes différentes, et on peut passer de l'un à l'autre par une convolution adéquate.
En pratique, les conditions de fonctionnement sont telles que les résultats obtenus seront très différents. Nous reviendrons sur cet aspect.
Toutes ces méthodes sont en principe utilisables avec différentes configurations de bobines, ce qui donne pas mal de combinaisons possibles. Une des configurations les plus répandues est l'Induction Balance, dont l'avantage principal est de permettre une bonne réjection du signal émis dans le signal reçu.

Après cette introduction, nous réfléchirons à la façon dont la cible interagit avec le détecteur, et à la manière de modéliser et d'exploiter au mieux cette interaction.

A suivre....
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[Kr3st]

Comme toujours, sujet hautement interessant !

Je ne pense pas avoir le niveau pour comprendre de A à Z tout ce que tu vas nous raconter, mais je vais suivre tout ça avec intéret

Mes respects

[Tropique]

Je ne pense pas avoir le niveau pour comprendre de A à Z tout ce que tu vas nous raconter

Il ne faut pas sous-estimer tes capacités (ni mes aptitudes pédagogiques!).

Quel(s) est (sont) le(s) paramètre(s) analysé(s) par un détecteur?

Au tout début, dans la période pré-électronique, tout se passait au niveau purement magnétique: un buzzer alimentait un jeu de bobines émettrices, et on écoutait le résultat sur les bobines réceptrices. Toutes ces bobines étaient soigneusement positionnées de façon à ce qu'au repos, les flux s'équilibrent, et qu'en présence d'un objet dans la zone de détection, la perturbation produise un signal audible.

Ensuite, lorsque les premiers détecteurs électroniques sont apparus, dans l'après-guerre, on s'est intéressé à l'inductance de la bobine du détecteur: le fait d'approcher un objet conducteur d'une bobine en réduit l'inductance, et c'est cette variation qui était exploitée.

Comme cette méthode ne permettait pas de discrimination, l'étape suivante a été de mesurer les deux composantes de l'impédance plutot que juste sa partie réactive. Ce qui a donné naissance à des montages en pont, puis à une résurgence sous forme électronique de l'IB: avec un pont purement électronique, la condition d'équilibre dépend de façon critique des caractéristiques de la bobine, et il est difficile d'avoir une stabilité correcte. Si la plus grande partie de l'équilibrage se fait au niveau magnétique, les caractéristiques de résistivité de la bobine n'interviennent plus, et la stabilité en température est bien meilleure.
C'est toujours cette méthode (avec des raffinements divers) qui est utilisée actuellement dans les appareils d'un certain niveau: VLF, etc.

Enfin, il y a la PI, dont le principe est radicalement différent: on ne cherche plus à détecter les variations des propriétés de la bobine, mais celle-ci est utilisée alternativement en émission et en réception.
En phase d'émission, on y fait passer un courant intense, pour "inonder" l'espace environnant d'un champ magnétique, ensuite on interrompt brutalement le courant, et la bobine devient un capteur qui "écoute" les réponses des objets en phase de réception. On peut aussi travailler avec deux bobines séparées pour les deux phases, ou même adopter une configuration IB en gardant le même principe.
Ce mode de fonctionnement rappelle celui d'un radar ou d'un sonar: on envoie une impulsion, et on attend les échos. Ce qui peut sembler anormal si on réfléchit aux temps de transit:
Pour une distance de l'ordre du mètre, le temps de propagation A/R est de 6ns dans l'air, certainement plus dans un sol ou un mur, mais pas énormément: on ne dépassera jamais les 20ns.
La circuiterie devrait donc être incroyablement rapide. Ou est l'erreur?

En réalité, ce qui est détecté n'est pas un écho radar, mais un "traînage" causé par la constante de temps d'un circuit L-R.
Les objets conducteurs qui étaient soumis au champ magnétique d'excitation vont se comporter comme des spires en court-circuit, et s'opposer à la variation lorsque ce champ tente de disparaitre; ils vont continuer à donner une réponse plusieurs microsecondes ou dizaines de microsecondes après que le champ d'excitation ait disparu.
Ce mode de fonctionnement conduit naturellement à adopter un modèle particulier pour rendre compte de ces effets, de manière à disposer d'une base adaptée pour le design et le dimensionnement des circuits périphériques.

Chose intéréssante, cette modélisation est très générale, et peut également s'appliquer aux autres techniques de détection.
Nous nous y attaquerons dans l'épisode suivant.

A suivre....

[Tropique]

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Modèle:

On a un enroulement d'excitation (la bobine de la tête de recherche) couplé à un enroulement de une spire, en court-circuit (la cible). La façon logique d'émuler cet ensemble est de le représenter par un transformateur, dont le secondaire est en CC.
"Transformateur" est peut-être un terme un peu fort: en général, pour un transfo, le coéfficient de couplage est aussi proche de 1 que possible.
Ici, le coéfficient de couplage pratique sera toujours inférieur au pourcent, et souvent de beaucoup. On peut, si l'on préfère, parler de "circuits couplés". Ce qui ne change rien au principe ni à la représentation.
Le gros avantage de ce modèle, c'est qu'il est une représentation fidèle de la réalité physique, et n'est donc jamais pris en défaut, même dans des conditions extrêmes ou des cas particuliers.
Il est donc non seulement applicable à la méthode PI, mais également à toutes les autres.

Voyons maintenant comment paramétrer ce modéle (voir Cible):

Le matériau conducteur de la cible est caractérisé par sa résistivité et son inductivité; si nous prenons un tore dans cet objet (ou si l'objet lui-même est un tore, comme un anneau), il va, en fonction de ses dimensions, avoir une certaine inductance et une certaine résistance.
Tous les éléments étant en série, ils peuvent être fusionnés et discrétisés en Ltot et Rtot. Ce circuit, et donc la cible qu'il représente, va posséder une certaine constante de temps Ltot/Rtot qui est la "signature" spécifique de cet objet.
C'est cette constante de temps qui va déterminer la vitesse de décroissance du champ magnétique dans le cas d'un détecteur PI, ou l'angle de phase du signal détecté dans le cas d'un VLF.
Le coéfficient de couplage va représenter la distance de séparation entre cible et détecteur.

Ordres de grandeur:

Examinons d'un peu plus près l'impact des paramètres. Il est possible, sur la base du modéle, de calculer analytiquement l'effet de la distance p.ex. On peut, connaissant la géométrie d'une configuration, calculer l'inductance mutuelle et sa variation en fonction de la distance. C'est une lourde tâche cependant, qui implique le passage par des intégrales elliptiques. Des traités entiers ont été écrits sur le sujet, par Grover notamment.
Il n'est cependant pas nécéssaire d'en passer par là pour avoir une bonne idée de l'influence de la distance sur la sensibilité de détection.
On peut reprendre et adapter le raisonnement qui mène l'équation du radar:
On sait que pour un champ magnétique quasi-statique, en champ lointain, l'atténuation varie en fonction du cube de la distance (au lieu du carré pour le radar).
Le champ produit par la bobine d'émission va subir une première fois cette atténuation lors du trajet aller vers la cible, et lorsque celle-ci va réémettre le signal atténué, il va à nouveau subir une perte de niveau identique.
Le résultat, c'est que les exposants vont s'additionner, et la dépendance par rapport à la distance variera comme la puissance sixième de celle-ci.
C'est beaucoup: si on double la distance, le signal détecté sera divisé par ....64!!!

Caractérisation d'une cible:

On a vu qu'une cible avait une certaine signature; il est immédiatement apparent que cette signature va varier en fonction de la géométrie de la cible, même si le matériau reste inchangé: imaginons que l'on déforme le tore vu précédemment.
Sa longueur, et donc sa résistance vont rester les mêmes, par contre la surface qu'il embrasse va se réduire. L'inductance, qui dépend de la racine carrée de la surface, va donc diminuer, de même que la constante de temps L/R.
Il n'est donc pas possible d'identifier un matériau en faisant abstraction de sa forme.
Imaginons que le matériau et la forme restent identiques. Gardera-t-on dans ces conditions une signature invariante en fonction de l'échelle?
C'est ce que nous verrons au prochain épisode....
A titre d'info, il était d'usage de caractériser les performances de détecteurs au moyen de sphères de différentes tailles, usinées dans diverses matières.

A suivre....

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

La signature d'un objet varie-t-elle en fonction de son échelle?

Pour répondre à cette question, nous allons examiner comment évoluent la résistance et l'inductance d'un tore élémentaire, lorsque toutes ses dimensions varient de façon homogène.
Nous allons exprimer les dimensions linéaires en fonction d'un facteur d'échelle commun, e.

La circonférence moyenne du tore va pouvoir s'écrire:
l = Ae (A étant une constante incluant K1, 2Pi)

La surface moyenne embrassée par le tore:
S = Be²

La section du tore:
s = Ce²

La hauteur du tore:
h = De

Si r est la résistivité du matériau, la résistance du tore devient:
R = rAe/Ce² = F/e (F incluant à nouveau toutes les constantes)


Son inductance est:
L = uBe²/De = Ge (... )

On voit que ni la résistance, ni l'inductance ne restent invariantes en fonction de l'échelle.
Quant à la constante de temps, elle devient:
Tau = Ge²/F = He²
On constate que non seulement cette constante de temps n'est pas invariante, mais qu'elle varie même en fonction du carré de la taille de l'objet.
Ce qui signifie que, contrairement à une légende répandue, il n'est pas possible d'identifier le matériau d'un objet à partir de sa signature, même quand la forme reste identique: deux sphères en laiton de diamètres différents donneront des réponses différentes, même si la leur éloignement est ajusté pour avoir la même réponse en amplitude.

Après ces considérations théoriques, voyons un peu ce que cela donne en pratique:
Model1 montre une simulation de l'étage d'attaque de la bobine; le MOS conduit 50µs, puis s'ouvre, permettant à la self de se décharger.
L2 et R4 symbolisent la cible; sa constante de temps est ici de 5µs.
Le coéfficient de couplage varie entre 0 et 1%, par pas de 0.25%.
On voit qu'au moment de l'ouverture, se produit une surtension de près de 300V. Cette surtension n'est limitée que par les éléments extérieurs, en particulier R2. R1 et C1 sont les éléments parasites de la bobine.
A part cela, que voit-on? Pas grand chose: en principe il devrait y avoir 5 traces, une seule est visible.
La raison est que la simulation est "réaliste", càd qu'elle reprend des coéfficients de couplage tels qu'on pourrait les rencontrer réellement.
Et là, on commence à toucher du doigt les difficultés liées à ce type de détecteur: comment aller chercher l'info qui nous intéresse à côté de cette impulsion de 300V.
Model2 montre, en trichant, l'effet des couplages différents: ici les valeurs sont plus élevées, et on zoome sur la partie décroissante de l'impulsion.
Model3 montre (en trichant encore un peu) la tension après l'écrêteur à diodes: on voit alors mieux les "queues" des différentes exponentielles.

[Tropique]

Voyons maintenant l'effet de "matériaux" différents sur l'allure des courbes:

Pour cela, on fait varier la résistance R4, symbolisant la résistivité de la cible: Model4.
Que constate-t-on?
Avant 53µs, il y a un certain niveau d'undershoot, puis d'overshoot: C'est dû à l'amortissement du circuit RLC qui n'est pas parfait. R2 qui a cette fonction, devrait être un peu plus faible. C'est une question de compromis: R2 est indispensable, parce qu'il n'est pas possible d'avoir une inductance pure en L1, il y aura toujours des capacités parasites. Mais la réponse du circuit R-L formé par L1 et R2 va se superposer à la réponse de la cible, et la "contaminer".
Il faut donc garder R2 aussi élevée que raisonnablement possible, pour avoir une constante de temps parasite très faible, qui n'interfère pas avec la détection.
Il est de toute manière indispensable de prévoir une période de "muting" après la commutation, pour pouvoir ignorer les petites imperfections de compensation. Ici, elle sera fixée à 4µs minimum, ce qui devrait être suffisant.

Lorsque ces transitoires sont terminés, vers 52.5µs, les courbes prennent leur allure normale. La trace magenta correspond à la résistance la plus élevée, la bleue à la plus faible. Ce qui peut paraitre surprenant: la résistivité la plus élevée semble donner le plus de signal.
Du moins au début. Car après, elle redescend sous les autres.
Pour comprendre cette énigme, qui n'en est pas une, il faut se rappeler le comportement de la cible lorsque le champ magnétique s'annule: elle tente de le "mémoriser", de s'opposer à sa variation, d'autant plus qu'elle est bonne conductrice. Mais le capteur de champ magnétique que l'on utilise, la bobine L1, est sensible aux variations de flux magnétique, pas à sa valeur absolue.
Il est donc normal, pour un matériau résistif, d'avoir un signal intense mais qui s'éteint rapidement, et pour un matériau conducteur, d'avoir un signal plus faible, mais qui perdure plus longtemps.
On peut s'en convaincre en examinant le courant induit dans la cible: c'est une mesure qui serait quasi-impossible en réalité, mais qui est très facile avec le simulateur: Model5.
On voit, effectivement, que la trace verte, qui correspond à la plus forte conductivité, a une pente moins accentuée que les autres (noter l'échelle de temps, différente des cas précédents). Comme le champ magnétique est lié au courant, son taux de variation sera également plus faible, tout comme la tension récupérée au final.

Cela montre qu'en analysant correctement la réponse, il sera possible d'extraire pas mal d'informations. Les détecteurs PI ont la réputation d'être incapables de discrimination, mais on le voit, ce n'est pas du à leur principe: plutot à un traitement inadéquat du signal.
Notre proto exploitera à un premier niveau ces possibilités de discrimination, mais il est clair qu'avec un traitement sophistiqué, on pourrait aller beaucoup plus loin.

Enfin, encore une remarque que l'on peut faire au vu des graphiques: on constate que les niveaux sont redoutablement faibles, et il faudra donc une sérieuse amplification pour arriver à un niveau exploitable.
C'est un des challenges de ce genre de détecteur: pouvoir détecter des millivolts ou des microvolts en présence de tensions de plusieurs centaines volts.

A suivre....

[Tropique]

Nous allons passer au schéma:

Une remarque préliminaire: c'est un peu "décousu", pas très optimisé, c'est le proto tel qu'il fonctionne et l'usage des composants, notamment des opérateurs des ICs, n'a pas été rationnalisé. Il serait possible de nettoyer tout ça sans trop d'efforts, mais comme on n'est jamais à l'abri des surprises, j'ai préféré mettre une version brute, mais fonctionnelle et testée.

L'oscillateur, autour de U1 est archi-classique: il donne des impulsions d'environ 100µs espacées d'environ 85ms (12Hz). Aucun de ces paramètres n'est précis ni stable, et n'a besoin de l'être: un des avantages du PI est une grande tolérance à ce genre de choses.

Le driver du MOS attaquant la bobine a l'air excessivement compliqué pour ce qu'il fait: U2 à 4, Q1 et 2. Voir en partie la remarque ci-dessus, mais aussi le fait qu'il y a des exigences de délai pour éviter des glitches par la suite, et d'attaque du gate: le turn-off du MOS doit être très rapide, pour que la commutation s'effectue dans des conditions adiabatiques (càd que le champ magnétique qui disparait ne doit pas générer de pertes de commutation dans le MOS), et si on veut pouvoir employer un MOS classique (non logique) avec une tension d'alim de 5V.
Pour cela, il faut le pré-polariser juste sous sa tension de seuil, et le commander par une liaison capacitive pour monter au-dessus de la tension d'alim. Q2, avec R3 et R4 forme l'équivalent d'une zener de 3V.

L'attaque de la bobine se fait par un MOS haute tension assez quelconque, genre alim à découpage. L'impulsion de tension à la rupture vaut un bon 400V, il vaut donc mieux assurer. Cela dit, même s'il y a claquage (avalanche), cela fonctionnera: tous les MOS actuels supportent sans problème un régime d'avalanche à basse énergie, comme ici.
L'inconvénient, c'est que cette tension de claquage influence et modifie la décroissance de la tension, et donc les caractéristiques de détection. Mais le proto a également fonctionné avec un IRF730, qui claquait vers 300V.
Le rôle de D3 est de découpler la bobine du MOS, au moins pendant la phase de décroissance (avant, ce serait impossible). Un MOS haute tension a une capa parasite importante, qui obligerait à amortir plus le circuit, et émousserait la sensibilité. Evidemment, d'un autre côté, D3 bouffe encore 800mV, mais rien n'est gratuit en ce bas monde... Il faut en tous cas une diode ultra-rapide, faible capacité, sinon elle ne sert pas à grand chose.

L'acquisition du signal reçu se fait par l'ampli différentiel U7. La résistance de prélèvement R8 et celle d'amortissement, R7 doivent pouvoir encaisser les pics de tension répétés, d'où leur rating à 1W. Pour le proto, des 1/4W suffisent, mais à long terme elles flancheraient.
Pour n'amplifier que la tension aux bornes de la bobine, il faut que les résistances R9 à 12 soient précises.
Un écrêtage par des diodes schottky D4 et 5 permet de ne garder que la partie "intéréssante" de la tension, quelques mV autour des 9V d'alim.

Un monostable réglable entre 4 et 100µs est déclenché sur le flanc descendant de l'impulsion principale: U6. Le réglage permet une discrimination en éliminant à un degré plus ou moins important les objets à faible constante de temps (et en principe à faible "valeur", comme le papier alu).

Un monostable fixe, déclenché par le précédent produit l'impulsion d'échantillonnage de 30µs environ: U5.

Une porte OU, constituée de R16 et D6 génèrent une période de muting pendant l'impulsion et la durée "discri", qui commande....

Le switch de muting, qui remplace le signal par une tension neutre durant cette période, à l'entrée de ....

L'ampli AC, qui fournit l'essentiel du gain (~25) et attaque....

Un démodulateur/sample-hold, dont le fonctionnement sera analysé au prochain épisode.

A suivre....

[Tropique]

Reprenons l'analyse.
Nous étions restés à U8, qui était l'ampli AC.

Il attaque le...
Démodulateur/sample-hold dont le rôle est double: transférer le signal amplifié pendant la "fenêtre" de sample définie précédemment, ce qui se fait par la voie "y" du switch, mais également compenser les offsets divers accumulés par la chaine d'acquisition, et décaler le niveau moyen, pour aligner le 0 détection avec le 0V du circuit.
Toutes ces dernières tâches sont accomplies par C10: pendant la période de "repos", son armature de droite est connectée au curseur de P2, qui est à peu près à la masse (nous verrons plus en détails "l'à peu près" par la suite). Il se charge donc au potentiel moyen inactif de la sortie de U8, et lorsque le signal arrive, c'est lui seul qui est appliqué au condensateur de hold, C11.

L'amplificateur DC (U9) récupère à haute impédance cette tension, et l'amplifie d'un facteur réglable par le potentiomètre de sensibilité P3.

Un VCO, U10 exploite cette tension, et la transforme en "sons et lumières": sa sortie consiste en de brèves impulsions positives, qui font un bruit très caractéristique dans le haut-parleur après avoir été bufferisées par Q3, et peuvent aussi allumer une LED de façon proportionnelle à l'intensité de détection: l'augmentation de fréquence accroit la conduction moyenne du transistor, ce qui équivaut à de la PWM.
On peut si on veut ne choisir que l'un ou l'autre.
La résistance R30 permet de garantir que le VCO est silencieux pour 0V en entrée.
P2, précédemment cité, permet de régler la valeur de repos juste sous le seuil "d'éveil" du VCO. On pourrait éventuellement s'en servir aussi comme réglage de sensibilité, mais plutot dans les cas où on fait du tout ou rien.
Pour évaluer finement les variations, il est d'ailleurs préférable de laisser le VCO toujours actif, cela donne plus de sensibilité.
Tout cela est question de philosophie, de préférences, et d'usage.

On remarque que la tension d'alim n'est pas régulée: le circuit est suffisamment tolérant pour s'en passer.
Dans cette version cependant, il y a un faible décalage du neutre en fonction de la variation de tension d'alim. Si cette version est exploitée telle quelle, il vaut donc mieux garder P2 accessible à l'extérieur pour rectifier le réglage quand la pile s'use (ce n'est pas à faire toutes les 5 minutes heureusement).
On peut bien sûr choisir d'ajouter un régulateur de tension. Il serait aussi possible de stabiliser la tension arrivant à P2, cela devrait suffire pour assurer une stabilité suffisante entre 6 et 9V.
Ce point et d'autres seront discutés, lorsqu'on passera en revue les options et améliorations possibles.

A suivre....

[Tropique]

Ce principe de détection est intrinsèquement tolérant à beaucoup de choses.... ce qui ne veut pas dire que l'on peut faire tout et n'importe quoi.

Nous allons donc passer en revue les points importants pour la réalisation.
L'élément le plus important du montage étant la bobine, c'est par là que nous commencerons.

La bobine:
Ici, elle fait 200µH. C'est une valeur arbitraire, qui découle d'un nombre de spires tout aussi arbitraire: 100. C'est beau, c'est rond... et ce n'est sûrement pas une valeur optimale. On aurait de meilleurs résultats avec plus de spires, et il n'est pas interdit d'expérimenter (au contraire, c'est même conseillé).
Mais si on veut reproduire les résultats du proto avec les valeurs de composants indiquées, il vaut mieux commencer par la reproduire exactement à l'identique.
Je vais donc donner tous les détails nécéssaires. Le support est un tube de médicaments en polypropylene, de diamètre 21.6mm (voir photos). Voici les données principales:
-Diamètre du support: 21.6mm (n'importe quel support isolant convient)
-Diamètre du fil: 22/100
-Longueur du bobinage: 13.5mm (les spires sont jointives, en 2 couches)
-La résistance du bobinage est de 3.8 ohms (donné à titre indicatif)

Il est souhaitable de repérer les extrémités, afin de mettre le fil "froid", de la couche extérieure, au +9V.

Je le redis: les paramètres de cette bobine ne sont pas optimaux si on cherche le maximum de performance, et je reviendrai par après sur leurs possiblités d'amélioration: facteur de forme, diamètres, etc.
Mais en attendant, il est préférable de commencer par là, c'est simple et rapide à réaliser.

Layout:
Ce n'est pas de la circuiterie très délicate, mais il y a des tensions et courants élevés qui voisinent avec des amplis sensibles. Il faut donc bien veiller à séparer la partie puissance du reste, aussi bien au niveau physique que des pistes d'alimentation. C6 sert à fournir l'énergie des pulses, et doit donc être installé comme sur le schéma, près du MOS et des bornes de la self.
Il est important aussi de séparer le VCO et son étage de sortie, ils sont très polluants, et perturbent facilement le reste. C'est d'ailleurs la raison de la cellule R33/C15. Dans le même ordre d'idées, on pourrait troquer le TLC274 contre deux TLC272, pour mieux séparer l'amplification de la sortie. Ici, il est clair qu'il y a du crosstalk, même si ce n'est pas catastrophique.

A suivre....

[Tropique]

Si le proto est construit conformément aux indications données, il ne devra pas y avoir de grosses surprises.

On peut vérifier que la séquence des événements se produit bien comme indiqué sur le chronogramme.

Il est souhaitable d'observer ces signaux sur un oscilloscope digital, correctement synchronisé. Vu le faible rapport cyclique, c'est plus confortable. L'observation avec un bon scope analogique est possible également, en poussant la luminosité.
Il faut se synchroniser sur le flanc montant de l'impulsion de l'oscillateur 12Hz.
Même si tout est reproduit fidèlement, il y aura de petites variations dans le Q de la self et les capas parasites, ce qui impose de régler l'amortissement de la bobine.
Le signal peut être pris directement sur les diodes d'écrêtage D4, 5 pour un dégrossissage, à la sortie de U7 ou enfin de U8 (temps de discri réglé au minimum).
On règle Aj1 pour avoir une réponse aussi plate, aussi rapidement que possible, sans avoir d'undershoot. C'est assez évident quand on l'a devant les yeux.
On peut vérifier que le profil se modifie lorsqu'on approche un objet métallique de la bobine.
Pour affiner le réglage, on met le gain à mi-course, et on règle le seuil pour avoir un début de tonalité; ensuite, on fait varier le pot de discri entre le mini et le maxi, et on règle le damping pour n'avoir pas de différence entre les deux. En principe, le réglage de damping n'affecte que la position correspondant au temps de discri minimum (=aucune discrimination).
Si l'on ne dispose pas pas d'oscillo, on peut prier St Etienne, et ne se baser que sur ce critère..... si tout se goupille bien, ça devrait suffire.

J'en profite pour faire une remarque: le schéma est bardé de potentiomètres divers. Ils ne sont pas tous nécéssaire dans tous les cas, il s'agit ici d'un montage d'étude permettant de faire varier plusieurs paramètres, mais si on veut juste un "super-détecteur de canalisations", on peut mettre des résistances fixes pratiquement partout. La version proposée permet un maximum de flexibilité, qui n'est pas toujours nécéssaire.
A ce propos, les indications B et C correspondent à la courbe de ces potentiomètres; ce n'est pas indispensable, mais ça rend le réglage plus confortable.

Quelles performances peut-on attendre de ce montage?
Avec la discri minimale et sensibilité maximale, une pièce de 1 €urocent est détectée de façon positive à 7cm (entre 8cm et 7 cm, on entend une variation, mais à 7cm, la réponse sort définitivement des fluctuations).
Avec la discri minimale, pratiquement tout est détecté (c'est le but!).
Cependant, de petits objets (rondelles de 3mm) en matériau à faible conductivité (typiquement acier inox) donnent une faible réponse, même dans ces conditions. C'est relativement normal: la constante de temps propre de tels objets est bien inférieure à 5µs, et la plupart des détecteurs PI, qui utilisent des selfs beaucoup plus grosses (et plus lentes) sont totalement aveugles à l'inox, même pour de gros objets.
Quand la discri est augmentée, il est possible d'éliminer complètement des cibles à plus forte résistivité, typiquement le papier d'alu, cauchemar des détectoristes.
Le prix à payer est une sensibilité apparemment réduite, mais ce n'est qu'une impression: on a vu les raisons de ce phénomène plus haut. Il n'a d'ailleurs pas que des mauvais côtés: les objets massifs, à forte conductivité réagissent moins, relativement, ce qui fait une sorte d'adaptation automatique de gain.

A suivre....

[Tropique]

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Comparons les PI aux autres:

Par rapport aux autres types de détecteurs, les PI ont la réputation d'avoir une sensibilité élevée, mais une discrimination nulle ou médiocre.
En réalité, ces caractéristiques sont plus dépendantes du mode d'implémentation que du principe en soi.

Comme l'attaque de la bobine détectrice se fait avec un créneau, il est facile de travailler à un niveau de puissance élevé: une forte self, traversée par un courant se chiffrant en ampères, voire en dizaine d'ampères, et une surtension montant à des centaines volts. Le produit I.U à l'instant de la commutation peut se chiffrer en KW, ce qui permet un bon rapport S/B au niveau de la réception. Avoir un niveau de puissance équivalent avec un détecteur en onde continue serait difficilement envisageable, à cause de la linéarité exigée pour attaquer la bobine en sinus, et pour des raisons purement énergétiques.
En impulsions, la puissance de crête est élevée, mais pendant un temps très court, que la synchronisation de la réception permet de mettre à profit. La puissance moyenne peut rester raisonnable. Souvent elle est relativement élevée cependant, et il est fréquent d'avoir une alimentation avec un battery-pack de taille confortable.
Notre proto est par contre très frugal: il a un courant d'impulsion de l'ordre de l'ampère, mais sur une durée très courte, une centaine de µs, et avec une fréquence de répétition basse, de l'ordre de 12Hz. Ces paramètres sont le fruit d'un compromis: la bobine a une inductance faible, de 200µH, et le courant s'y établit rapidement. La consommation, en l'absence de détection, est comprise entre 3.5 et 4mA, ce qui permet une excellente longévité de la pile de 9V.
L'inconvénient est que le champ généré n'est pas élevé, et que la sensibilité en récepteur est faible. D'autre part, avec seulement 100µs, le champ généré n'a pas le temps de pénétrer complètement des pièces massives, à longue constante de temps. Cela réduira la sensibilité à des objets de grande taille, mais lointains. Pour ce proto, ce n'est pas tellement important, d'autant plus que l'on cherche en général une adéquation entre la taille de la bobine exploratrice et celle des objets à détecter.

L'absence de discrimination:
Elle provient de la manière traditionnelle de traiter le signal reçu: c'était souvent un simple comparateur qui détectait l'instant de passage de l'exponentielle à un niveau préétabli, pour générer une sorte de PWM. Les avantages sont la simplicité, la robustesse par rapport au pic de tension, et une bonne sensibilité, mais au prix d'une discrimination nulle.
Ici, la discri n'est pas très sophistiquée, mais elle existe: la détection se fait en échantillonnant la tension amplifiée, avec un retard réglable permettant d'éliminer les réponses à faibles conductivité, considérées comme "déchets".

Une autre caractéristique des PI est une remarquable insensibilité aux effets parasites divers: pour beaucoup d'autres types de détecteurs, c'est au contraire un point extrêmement critique, et le soin apporté à ces aspects, en particulier la confection de la bobine, pèse très lourd dans les performances atteintes.
Ici, rien de tout cela: il n'est même pas nécéssaire de blinder (faradiser) la self. La stabilité mécanique n'a pas d'importance non plus.
Pour comprendre le pourquoi de ces différences, il faut comparer les principes mis en oeuvre: les détecteurs habituels, VLF ou IB sont au fond des ponts de mesure d'impédance très sensibles. On établit une condition d'équilibre, et ensuite on détecte d'infimes déviations de cette condition. Pour une bobine exploratrice ayant une impédance de l'ordre du kiloohm à la fréquence de travail, on détectera des variations de quelques ppm, ce qui amène la sensibilité à une impédance parallèle vers le gigaohm. On comprend que la plus infime variation, dans la capacité parasite par exemple, a immédiatement un impact énorme.
En impulsion, ces variations ont une influence également, mais beaucoup plus faible: la période d'échantillonnage est de 30µs (dans cet exemple), et même si l'allure du flanc descendant se modifie, le résultat de détection ne sera pas changé tant qu'on ne sort pas de cette fenêtre, pendant laquelle s'effectue un moyennage qui permet de "gommer" les différences.

Cette immunité aux impédances parasites se manifeste également sur une autre caractéristique de ce détecteur: il est insensible à l'effet de sol. Cet aspect sera développé dans le message suivant, en attendant voici quelques images du proto, et d'un modèle plus abouti, construit auparavant sur les mêmes principes.
V2 est le proto actuel.
V1 est une sorte de "super-détecteur de canalisations": le seul contrôle accessible est le seuil, tout le reste est interne et prérèglé. Cela suffit largement pour la fonction envisagée: si la sensibilité semble trop forte, on peut l'ajuster en éloignant le détecteur si le décalage du seuil ne suffit pas.
Il fait également appel à une petite astuce, qui facilite considérablement son utilisation: une diode laser est montée dans le tube qui sert de mandrin à la bobine, ce qui permet de "marquer" visuellement l'endroit qui est pointé. Ce simple truc donne une précision de localisation phénoménale: il suffit de balayer la surface à explorer, et par persistence rétinienne, on peut "marquer" virtuellement la cible, ce qui permet de détecter un petit clou avec un précision de 2~3mm. Sur "V1general", on voit le spot laser projeté sur le papier. Ce n'est pas très visible, parce que l'appareil de photo a du mal à capturer le laser, dont l'alimentation est découpée.

A suivre....

[Tropique]

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Les différentes composantes de l'effet de sol:
Les détecteurs autres que le PI sont tous sensibles aux propriétés magnétiques de ce qui se trouve dans la sphère d'action du détecteur.
A première vue, cela ne semblerait pas être un problème: à part quelques métaux ou oxydes, il n'y a rien de magnétique dans la nature, et donc dans les sols.
Mais au niveau de sensibilité auquel on travaille, il serait plus exact de dire: "il n'y a rien de fortement magnétique dans la nature".
Quand on parle de magnétisme, on pense tout de suite au ferromagnétisme. C'est de loin l'effet le plus puissant, mais ce n'est pas le seul: il existe également le paramagnétisme et le diamagnétisme. En ce qui nous concerne, le ferrimagnétisme peut être assimilé au ferromagnétisme.
Tous les matériaux, et donc ceux qui entrent dans la composition des sols, font partie de l'une ou l'autre catégorie, voire deux dans certains cas.
Cela signifie que sol n'est pas "neutre" magnétiquement, et va faiblement affecter l'inductance de la bobine de recherche. Cet effet est gênant, car on l'a vu, les détecteurs ont un niveau de sensibilité extraordinaire, et d'autre part, le sol occupe normalement près de la moitié de la sphère de détection, ce qui représente un volume très important.

On pourrait imaginer que dans un sol, les proportions relatives des matériaux paramagnétiques, diamagnétiques et éventuellement ferrimagnétiques s'équilibrent exactement pour donner un µ relatif de 1.000 000.
Dans ce cas (hypothétique), il ne devrait pas y avoir d'effet de sol?

Et pourtant si: les sols ont une certaine conductivité. Dans le modèle équivalent vu précédemment, cela va se traduire par une certaine résistance mise en parallèle avec le secondaire du transformateur virtuel symbolisant la cible. Cette résistance sera très élevée, comparée à celle d'un métal, mais néanmoins largement suffisante pour générer une réponse parasite.
Allons plus loin dans nos hypothèses: supposons qu'en plus d'avoir un µ relatif égal à 1, le sol soit également isolant: un sable sec de la bonne sorte par exemple.
Pas de chance, même lui aura une influence, à cause de M. Maxwell: un champ magnétique variable induit toujours un courant dans l'espace, même quand il est vide, et à fortiori s'il est occupé par un diélectrique (le sable). Ce courant de déplacement aura une phase différente de celle du cas précédent, mais va en tous cas générer une réponse.
Cet effet de sol est donc omniprésent et particulièrement tenace: impossible de s'en débarasser, il faut donc le compenser.
Nous ne nous soucierons pas de cet aspect, puisque le sujet est le détecteur PI, qui est lui complètement immune à ce genre de difficulté:

Le fait d'avoir un matériau plus ou moins magnétique dans la zone d'action de la bobine ne change rien: on peut parfaitement approcher un morceau de ferrite sans avoir la moindre réaction.
Par contre, la conductivité du sol devrait avoir une influence, puisqu'on est là au coeur du principe de détection.
C'est vrai en théorie, mais en pratique, les paramètres sont tels que cet effet n'a pas non plus d'influence.
Pour s'en convaincre, mettons-nous dans un cas extrême: un sol très minéralisé, et imprégné de saumure et d'électrolyte. Même ce genre de sol aura une conductivité bien plus faible que des métaux.
La résistance équivalente à prendre en compte dans le modèle sera des centaines de fois supérieure à celle d'un objet métallique, et la constante de temps sera proportionnellement plus courte.
Comme la décroissance est exponentielle, il ne reste plus rien de détectable après des dizaines de constantes de temps, même en prenant en compte le facteur de couplage relativement élevé avec le sol. Quand l'échantillonnage commence, 4µs au minimum après la fin de l'impulsion, tout est terminé, et la messe est dite.....
Les impédances présentées par les diélectriques sont élevées également et n'ont pas non plus le moindre effet.
Le sol n'a donc pas d'influence sur le signal détecté.

Profitons de l'occasion pour parler du comportement du détecteur face à des objets en métal magnétique. Les détecteurs PI ont la réputation d'avoir une sensibilité exacerbée à ce genre d'objet.

Cette réputation n'est pas usurpée: il faut voir de tels objets comme des composites: une spire conductrice autour d'un noyau magnétique (le métal fait les deux en même temps, mais cette image facilite la compréhension).
Le noyau va concentrer les lignes de champ, et augmenter la surface apparente de l'objet, un peu à la manière d'une antenne ferrite en réception radio.
D'autre part, la présence d'un noyau dans la bobine va également altérer l'inductance, et donc la constante de temps de l'objet.
Celui-ci apparaitra donc plus grand et plus "noble" qu'il ne l'est en réalité.
C'est un des points faibles du détecteur PI, et le nôtre, bien qu'amélioré sur ce point par rapport au designs classiques, n'y échappe pas. Il n'est pas possible de n'avoir que des avantages, sans aucun inconvénient.... C'est la vie!

A suivre.....

[Tropique]

J'ai mentionné, un peu plus haut, la sensibilité constatée sur le proto: la capacité à détecter une pièce de 1 cent à 7cm.

Cette performance n'a rien de spectaculaire; certains diront même qu'elle est carrément minable: un bon détecteur "classique" peut sans problème faire deux fois mieux.....
Alors, la fameuse sensibilité des détecteurs PI est-elle une légende?

Pour répondre à cette question, il faut examiner le contexte de cette performance:

• Un des éléments dont il faut tenir compte dans cette analyse est la taille de la bobine. Si l'on se place à distance négligeable de celle-ci (champ proche), la perturbation causée par un objet dépendra de la section de cette objet rapportée à la surface de la bobine, toutes choses égales par ailleurs. Cela est valable indépendamment des dimensions absolues de l'objet et de la bobine.
  Par exemple, un objet de 1mm² aura le même effet sur une bobine de 1cm² qu'un objet de 1cm² sur une bobine de 1dm².
  Ce qui n'est pas illogique, puisque dans les deux cas, l'objet intercepte une même proportion du flux, et ce qui permet de comprendre pourquoi la bobine détectrice et la cible doivent de préférence avoir le même ordre de grandeur.
  Ces considérations sont valables en champ proche, càd près du plan de la bobine. On peut considérer que le champ proche s'étend à une sphère, ayant pour grand cercle, et donc rayon, la bobine.
  En première approximation, dans la zone de champ proche, la sensibilité ne varie pas, et dans la zone de champ lointain, elle décroît en fonction de la puissance 6 de la distance. Ce ne sont que des approximations, et il y a toute la zone intermédiaire (qui nous intéresse en fait) dans laquelle se produit une transition.
  En fait, la fonction réelle est un polynôme ayant des termes allant de la puissance 0 à la puissance 6: pour d<<, les puissances élevées ont un poids négligeable, et pour d>>, c'est le contraire.
  Dans le cas du proto, la bobine a environ 1cm de rayon, c'est là que s'arrête sa zone proche. Une pièce mise à 7cm est donc six fois plus éloignée. Le signal qu'elle génère y sera donc 6⁶ fois plus faible, soit environ 46000x.
  Il faut aussi tenir compte des surfaces relatives de la pièce et de la bobine, dans ce cas un rapport de 1 à 2 environ.
  En définitive, le signal est donc atténué d'environ 92000x par rapport au cas où la pièce s'insérerait exactement dans la bobine.
  Comparons maintenant ce cas avec celui d'une bobine de 14cm: on se rapproche des dimensions des détecteurs classiques, d'usage général.
  Dans ce cas, à 7cm, on est toujours dans la zone proche, l'atténuation causée par la distance est considérée comme négligeable.
  Par contre, la proportion de surface interceptée par la pièce est beaucoup plus faible: environ (14/1.6)², soit 76x.
  Il n'y a pas photo cependant: la bobine de 14cm est avantagée d'un rapport de plus 10000 dans ces conditions, 80dB. Et 14cm est assez petit; souvent, on est plutot vers les 20cm.

Attention, tout ce qui précède ne sont que des estimations éduquées, des ordres de grandeur étayés par des chiffres, pas des calculs exacts, qui seraient énormément plus complexes. Cela suffit cependant à se faire une idée correcte de la situation.

• Il y a d'autres facteurs qui jouent défavorablement dans ce cas-ci: la bobine est cylindrique, en forme de solénoide. Idéalement, elle devrait être aussi courte que possible, pour se rapprocher d'un tore.
  Ce qui a l'avantage de maximiser l'inductance pour un nombre de tours donné, et de rapprocher le centre de la cible: ici avec environ 14mm de long, ce centre est en retrait de 7mm, qui sont perdus dans la portée; ce n'est que 10%, mais ce n'est pas négligeable.

• Le fait de travailler à puissance relativement faible (pour les critères de cette technique) réduit également la sensibilité: au moins on envoie de signal, au moins on en récupère.... c'est imparable.

• L'amplification en réception n'est pas poussée très fort: les circuits utilisés ici sont plutot bruyants et imprécis, et pousser le gain n'apporterait que peu de bénéfices. Avec des amplis faible bruit, et un circuit soigné, on pourrait monter de 20dB au moins. Cela parait élevé, mais en termes de portée, cela ne se traduirait que par un gain de 46%.

• Dans le même ordre d'idée, une meilleure immunité aux perturbations extérieures permettrait d'améliorer la stabilité, et donc le gain: le proto est sensible aux champs à 50Hz et aux signaux GSM.
• Le 50Hz pourrait être éliminé en choisissant une fréquence de répétition de 100Hz, et la sensibilité à la radio par un blindage et de meilleurs découplages.
• Une fréquence de répétition plus élevée permettrait aussi de soigner le moyennage du signal. Tout cela contribuerait à augmenter la portée utile.... mais au prix d'une consommation accrue.

A suivre....

[Tropique]

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Et c'est maintenant à vous de jouer:

A ce stade, vous êtes normalement en possession d'un "jouet" intéréssant, peu coûteux et relativement facile à réaliser, capable cependant de performances décentes, et offrant les embryons de fonctions que l'on peut espérer trouver sur ce genre d'engin.

Pour en faire un appareil puissant, efficace et adapté à vos besoins, de nombreuses modifications, améliorations et extensions peuvent être envisagées.
Pour mettre au point et tester ce genre d'option, il est bon de travailler de manière incrémentale: on se concentre sur un point précis à la fois, en laissant le reste du proto non-modifié.
C'est bien plus facile lorsqu'on a une base de départ fonctionnelle, de tester isolément l'effet d'amélioration éventuelles; et puis cela donne une certaine "sécurité intellectuelle": si ça ne va pas comme on le souhaite, on a toujours la possibilité de régresser jusqu'au point ou ça refonctionne.

Examinons d'abord la bobine:
Dans le proto, elle est simple à réaliser mais vraiment basique. On peut la modifier de différentes manières, afin de renforcer certains aspects de la détection.
Une modification qui est conseillée dans tous les cas de figure, est de regrouper toutes les spires en un tore, qui est la forme optimale. Ou au moins, si on souhaite garder un mandrin de bobinage cylindrique, de raccourcir très fort la bobine, pour avoir une section à peu près carrée.

On peut ensuite jouer sur la taille:
D'abord accroitre le diamètre, en laissant tous les autres paramètres identiques. On l'a vu plus haut, cette modification va généralement permettre d'augmenter la portée, en étendant la zone de champ proche. Du moins pour les objets de taille "normale"; pour des objets extrêmement petits, il y aura un point à partir duquel la sensibilité diminuera si on augmente trop le diamètre.
On pourrait d'ailleurs, si on désire précisément ne détecter que de très petits objets à courte distance, faire la modif inverse. Un exemple d'application est l'orpaillage: pour localiser de très petits fragments d'or dans une zone limitée de matière brute.
Si on altère le diamètre, et que l'on ne veut rien modifier d'autre, il va falloir adapter le nombre de spires. L'inductance est, en gros, proportionnelle au diamètre et proportionnelle au carré du nombre de spires.
Si on voulait quadrupler le diamètre, il faudrait diviser par deux le nombre de spires pour conserver la même inductance. Cela permet de garder l'électronique inchangée, il faudrait juste reprendre le réglage d'amortissement.

Pour augmenter la sensibilité, ce qui sera généralement un des buts recherchés, il faudra aller un peu plus loin: en gros au plus on met de cuivre, au plus on aura de sensibilité; peu importe la manière dont ce cuivre est réparti: on peut augmenter le diamètre du fil, celui de la bobine, ou le nombre de spires. Dans tous les cas, la sensibilité augmentera, mais au prix de différentes altérations de certaines des caractéristiques.
Pour comprendre l'impact qu'auront des changements sur les paramètres du détecteur, voyons quelles sont les caractéristiques majeures de la bobine:
- Elle a une certaine inductance, proportionnelle au diamètre, et au carré du nombre de spires
- Elle a une résistance qui dépend également, mais directement du nombre de spires, du diamètre, et enfin de la section du fil, mais de façon inverse
La résistance va déterminer le courant maximal qu'il sera possible de faire passer avec une tension d'alimentation donnée, et inductance et résistance vont déterminer la constante de temps propre de la bobine.
Pas clair tout ça?
Nous allons cheminer à travers un exemple, pour voir l'effet pratique de tout cela, et comment en tenir compte.

Nous voulons, dans le proto, augmenter le nombre de spires jusqu'à 200 (le doubler).
Si l'on prend le même diamètre de fil, la résistance sera également doublée et passera à environ 8 ohms. Le courant de crête sera donc divisé par deux, ce qui ne nous arrange pas, puisque nous voulons augmenter la sensibilité (elle augmentera de toutes manières, mais pour un gain optimal, il faut compenser la perte de courant). On va donc doubler la section (càd multiplier le diamètre par 1.41).
On va se retrouver avec une résistance identique, et une inductance quadruplée. La constante de temps L/R le sera également, et si on garde la même durée d'impulsion, le courant n'aura plus le temps de s'établir correctement dans la self.
Auparavant, on avait une constante L/R de 200/4=50µs; elle est passée à 800/8=100µs, qui est juste la durée de l'impulsion. Avec une seule constante de temps, l'établissement du courant sera moins complet que dans le cas précédent où il y en avait deux, et si l'on ne veut rien perdre sur ce plan, il faudra également doubler la durée de conduction; par exemple, en pratique, passer R1 à 16K ou 18K. Avec une impulsion plus longue, on aura aussi l'avantage que le champ magnétique pénètre plus en profondeur les gros objets, qui seront détectés à plus grande distance.
Le résultat de ces modifications sera une sensibilité au moins quadruplée (champ émis deux fois plus intense, et nombre de spires en réception doublé), une consommation doublée, et certains effets sur les paramètres mineurs.

Quels sont-ils?
On va modifier les caractéristiques du circuit oscillant parasite constitué par la self et les capas parasites, et il faudra donc que le temps d'amortissement soit allongé. Ce qui veut dire, peut-être une adaptation de la résistance d'amortissement R7, mais pas forcément: plusieurs paramètres changent en même temps, comme la capa répartie p.ex., et il est difficile de prévoir le bilan global. La seule chose certaine est l'allongement du temps, puisque les éléments réactifs augmentent.
Cet allongement signifie que le talon de discri placé à 4µs ne sera peut-être plus suffisant, et que le début de la gamme sera inutilisable. Donc en pratique, une diminution de sensibilité pour les très petits objets.
Autre effet possible, qui va dans le même sens: l'augmentation de la masse de cuivre de la bobine (le doublement) va accroitre l'effet d'auto-détection: eh oui, le détecteur détecte le cuivre de sa propre bobine....
Cette augmentation pourrait interférer également avec la détection de petits objets.
Pourrait, car ici, il n'y a pas encore vraiment de risque, mais si on opte pour une bobine vraiment massive, avec du fil de 1mm, l'effet deviendra très notable. D'ailleurs, si l'on se dirige dans cette voie, il est conseillé d'employer du fil multibrins (Litz de préférence, mais même du non-isolé améliore déjà bien la situation en entravant les courants de Foucault).

D'autre part, l'augmentation du temps de l'impulsion aura également des effets plus subtils:
Comme le rapport cyclique est infime, la valeur moyenne de la forme d'onde est très proche de celle du temps de repos (Toff). Très proche, mais pas tout à fait égale cependant, ce qui, plus loin introduit un léger offset au niveau du démodulateur sample/hold. Si le rapport cyclique est augmenté, cet offset va également augmenter, et devra être compensé par un réglage différent de P2.
Et si on pousse loin l'augmentation du rapport, il est même possible que cela cause de l'écrêtage par les diodes D7 et D8; dans ce cas, il faudra agir en amont, et introduire un offset sur U7, pour égaliser les tensions sur les deux voies du switch de "mute", et éviter de propager un créneau parasite qui sature les circuits en aval.

A suivre.....

[inviteb7f12e7c]

Je viens de parcourir l'ensemble.
Ta signature semblait abusive avant lecture mais après lecture, elle est assez juste

[Tropique]

Ta signature semblait abusive avant lecture mais après lecture, elle est assez juste

Ben tien, je veux!!
(bon, faut pas se prendre la tête non plus, c'est juste pour déc***er; y a que ça de sérieux dans la vie)

Suite:
On peut envisager des modifications plus profondes de la bobine. Ici, je n'entrerai pas dans les détails (peut-être par la suite), mais disons qu'il est possible d'en changer la structure même:
On peut p.ex. séparer Tx et Rx. Si c'est un simple dédoublement, cela n'a pas beaucoup d'intérêt, à part régler les problémes de niveau DC à l'entrée du préampli. Pour que cela devienne intéréssant, il faut faire deux bobines nettement séparées et différentes: p.ex. bobine réceptrice ayant la moitié du diamètre de l'émettrice.
On peut aller encore plus loin, et mettre trois bobines (ou un arragement équivalent), pour équilibrer magnétiquement la réception:
En fait, faire de l'Induction Balance.
Cela permet d'éliminer le pulse de 400V à l'entrée du préampli, et donc d'augmenter plus confortablement la sensibilité.

Durée d'impulsion:
Fermons cette parenthèse et voyons l'impact de la largeur d'impulsion sur les performances du détecteur.
Jusqu'ici, on s'était surtout contenté de l'adapter aux caractéristiques de la bobine, pour être sûr d'atteindre un courant suffisant.
On peut aller au-delà, pour laisser au champ magnétique le temps de pénétrer des objets très massifs.
Contrairement à ce que l'on pourrait penser, cela n'aura pas beaucoup d'impact sur la sensibilité: si un objet a une longue constante de temps à l'établissement, il en aura une une aussi longue pour la retombée, et donc le taux de variation du champ, qui nous intéresse pour la réception, ne sera pas augmenté.
C'est un peu l'effet de peau à l'envers: les "couches" extérieures de l'objet vont agir comme un blindage vis-à-vis du coeur, et garder le champ interne prisonnier un certain temps, le relâchant petit à petit.

Par contre, cet allongement peut avoir un autre intérêt: la réponse ne sera peut-être pas plus forte, mais elle sera plus longue.
Cela permettra p.ex. d'étendre la plage de discrimination mais peut-être indirectement la sensibilité: si l'amplification de détection est basée sur un intégrateur, tout ce signal, même s'il est faible, contribuera à la réponse finale.
Une détection par intégration aurait une bonne immunité au bruit, et permettrait donc de détecter des objets de grande taille extrêmement lointains.

L'inconvénient principal de l'augmentation de durée est l'accroissement proportionnel de la consommation.

Préampli:
On peut s'étonner du faible gain attribué au préampli différentiel (U7). Cela est imposé par l'écrêteur à diodes qui précède: si on amplifie plus, le créneau résiduel saturera la sortie de l'ampli, ce qui est à éviter.
Les sorties de saturation d'AOP ne sont souvent pas très nettes, et nous avons ici besoin d'une intégrité de signal irréprochable, il n'y a donc pas grand chose à faire (du moins simplement).

Traitement / échantillonnage:
Sur ce chapitre, par contre, il y a énormément à faire: ici, cet aspect est minimal, quelques monostables qui commandent des switches et échantillonneurs.
Il est possible de faire beaucoup mieux, par exemple en utilisant un microcontroleur pour générer une séquence d'acquisition complexe, pour prendre des références, des valeurs, et déclencher des moyennages du signal. Une telle stratégie permettrait d'optimiser la sensibilité et la stabilité de détection, mais aussi et surtout d'affiner énormément la discrimination: si le calculateur dispose d'un certain nombre de valeurs du signal de retour à différents instants, il pourra, (avec un algorithme adéquat) extraire les différentes exponentielles caractéristiques, et "désenchevêtrer" les réponses de différents objets.
C'est probablement ce domaine qui est le plus riche et le plus prometteur pour celui qui veut améliorer et personnaliser le projet.
Il serait tentant d'entrer la totalité de la forme d'onde brute dans un convertisseur AD et de faire toute la suite du traitement en digital.
Ce n'est probablement pas une bonne idée: les signaux, entre le début de la forme d'onde et sa "queue", ont une dynamique énorme, qui consommerait inutilement des bits, et certaines phases de l'acquisition devraient se faire très rapidement. Il faudrait donc un ou plusieurs convertisseurs relativement surdimensionnés, alors qu'un conditionnement intelligent permettrait une meilleure résolution avec beaucoup moins de moyens.
Le controleur gérerait également la durée de l'impulsion émise, et pourrait l'adapter, peut-être automatiquement, en fonction des nécéssités de détection. Si l'on s'engage dans cette voie, les possibilités ne sont limitées que par l'imagination, la compétence et l'astuce du concepteur.....

A suivre....

[Tropique]

Traitement/échantillonage: fin

Il va de soi que si l'on génère les impulsions d'échantillonnage de manière "sophistiquée" (avec un µcontrôleur p.ex.), on pourra aussi le faire pour l'impulsion principale, et en controler la durée et la fréquence de répétition de manière intelligente:
Par défaut, on peut adopter une stratégie d'économie d'énergie: des impulsions pas trop longues et pas trop fréquentes, et une adaptation dès qu'une réponse positive est soupçonnée, pour bénéficier à ce moment de la discrimination et de la sensibilité maximales.
En temps normal, il n'est pas nécéssaire d'avoir une fréquence énorme, c'est surtout lorsqu'il s'agit de localiser précisément un objet que l'on a besoin du maximum de résolution temporelle (qui se traduit en résolution spatiale par les mouvements de balayage).

Affichage, indications et mesure:

Sur ce proto, ces fonctions sont réalisées de façon basique par le VCO.
Cela peut facilement être amélioré; on peut songer à mettre un meilleur VCO, mais on peut aussi aller nettement plus loin: à la sortie de U9, on dispose d'une tension continue, qui peut également être appliquée à un galvanomètre, un bargraph, ou une entrée analogique de µcontroleur. On peut également comparer cette tension à un seuil fixe, réglable.
L'option du bargraph est peut-être séduisante visuellement, mais en pratique n'est pas terriblement avantageuse: les LEDs consomment de l'énergie, et sont peu visibles en plein soleil... mais, chacun ses goûts.
A ce niveau, il peut être intéréssant d'intercaler un ampli non-linéaire, ayant un transfert de type logarithmique. De type logarithmique, car la conformité à une loi précise n'est pas nécéssaire. Il est par contre utile de compresser la réponse, pour compenser la loi d'atténuation avec la distance, qui est je le rappelle, en exposant 6, et donne l'impression d'être extrêmement "abrupte" lorsqu'elle n'est pas corrigée. Ici, le VCO lui-même réalise plus ou moins cette fonction, grâce à la décharge exponentielle de C13, qui procure une grande dynamique.

Il y a une autre possibilité si l'on veut augmenter énormément la puissance et la versatilité de cet appareil: on n'est pas obligé de se contenter d'une seule voie, et on peut multiplier les blocs "Sample-hold + DC amplifier" après l'amplification principale. il ne s'agit pas de juxtaposer "bêtement" un certain nombre de voies identiques, mais pour chacune de créer des signaux de référence et d'échantillonnage spécifiques. Ce qui permettra de disposer simultanémént des signaux correspondants à différents types de matériaux et d'objets, et donc d'effectuer des opérations algébriques, type soustraction par exemple, ou logiques, en appliquant des conditions. Cela permettrait d'affiner énormément la discrimination, voire même de séparer les réponses de différents objets superposés sur un même emplacement.
Et si on combine cela avec la variation de durée d'impulsion, les possibilités deviennent presqu'infinies.
On pourrait également arriver à un résultat similaire avec un seul échantillonneur, en faisant plusieurs passes échantillonnées différemment. L'inconvénient sera un temps de traitement d'autant plus long si la fréquence reste identique.

Fonctions annexes:

Si l'on souhaite créer un appareil de haut niveau, à la fois stable et performant, il est nécéssaire de soigner un peu plus que dans cet exemple les aspects de "cuisine interne" des circuits.
On peut mentionner en particulier l'alimentation, qui devra être régulée, aussi bien pour la partie traitement que pour l'étage de puissance (et de préférence, les deux séparément).
Le timing également doit être stable, pour éviter des effets de second ordre dus au jitter et aux dérives. Cela implique pratiquement de créer tous les signaux à partir d'un quartz, ce qui sera fait d'office si un µcontroleur gère l'ensemble.
D'autre part, les switches 4053 sont courants et bon marché, mais ils sont un peu limite, et si on veut pousser la résolution, il sera profitable de les échanger contre des types plus luxueux, à faible injection de charge: voir chez Linear et Maxim p.ex.
Un PCB propre et soigné, avec un bon plan de masse ne pourra pas faire de tort non plus, et un blindage général est souhaitable, ne serait-ce que pour être totalement immunisé contre les GSM: il ne faut pas oublier qu'il y a des amplis à très grand gain, qui ne demandent qu'à intermoduler et détecter l'enveloppe si on leur en donne l'occasion.
Il faut malgré tout remettre les choses dans leur contexte, et préciser que, comparée à d'autres technos de détection qui exigent des précautions et un soin frisant la parano, celle-ci est remarquablement tolérante... mais il ne faut tout de même pas pousser le bouchon trop loin, et si on soigne le travail, on en sera récompensé.

A suivre...

[Tropique]

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Encore quelques précisions:

Sur la sensibilité d'abord.
J'avais déjà précisé que l'on pouvait détecter une petite pièce de monnaie à environ 7cm.
Il est aussi intéréssant de connaître la sensibilité "limite", c'est à dire celle obtenue pour un objet de taille "infinie". Entre guillemets, parce que pour des raisons de disponibilité en stock, cet infini se limitera à une tôle d'acier 8/10 de 30x30cm. Tout se dévalue....
C'est cependant à peu près suffisant, sûrement en regard des 2cm de diamètre de la bobine, et presque par rapport aux ~25cm de portée obtenus.
Cette performance peut sembler minable, mais elle est à mettre en rapport avec le diamètre de la bobine (voir notamment le #13, ci-dessus).

La plage de discrimination telle qu'elle est implémentée permet, lorsqu'elle est réglée au maximum, la réjection totale de feuille d'aluminium alimentaire, avec encore une certaine marge: une double épaisseur commence tout juste à réagir.
Dans ces conditions, la sensibilité générale est diminuée également: la distance limite tombe à 14cm.

Enfin encore une précision sur la bobine:
Son blindage n'est pas indispensable, contrairement aux autres technologies; cependant si l'on souhaite atteindre des sensibilités élevées avec un minimum de perturbations, il est utile de prévoir quelque chose malgré tout. Sûrement pas une feuille métallique comme c'est fait habituellement: ce n'est pas requis et serait même contre-productif dans une certaine mesure, par contre un spray graphite est tout à fait suffisant pour un blindage électrostatique "léger", et peut être appliqué très facilement. D'autant plus que la résistivité de la couche est telle qu'elle ne nécéssite pas d'être interrompue à un endroit pour éviter l'effet de spire en court-circuit: c'est un des avantages de la méthode PI, et découle de l'insensibilité à l'effet de sol.

Voilà, n'hésitez pas à faire partager vos remarques, questions et implémentations perso, et à bientôt pour d'autres aventures!

[invitebaae1c61]

Salut, ton sujet est interressant et pourrait m'aider dans un projet..

As-tu des sources à proposer?

[Tropique]

Peux-tu préciser ce que tu entends par "sources"?

[invite6c194533]

Vraiment génial ce topic.
J'essaie de faire ce détecteur de métaux, mais avec un microcontrôleur. J'ai donc supprimé les parties Main Oscillator, Discrimination, Discri Delay, Sample Pulse O.S., Threshold et Output VCO.
Je vais remplacer les interrupteurs commandés (CD4053) par des résistances de 0 Ohm. Le switch "Mute" sera donc toujours dans la position x, et le switch "Sample" sera toujours dans la position y. Est-ce bien cela ? Ou est-il préférable de laisser les CD4053 et de les commander avec le microcontrôleur ?
Le signal à envoyer dans le CAN est-il bien celui avant R29 ? (R29 étant supprimée)
Est-ce que tu pourrais donner tes fichiers .asc ?

[Tropique]

Vraiment génial ce topic.
J'essaie de faire ce détecteur de métaux, mais avec un microcontrôleur. J'ai donc supprimé les parties Main Oscillator, Discrimination, Discri Delay, Sample Pulse O.S., Threshold et Output VCO.

OK

Je vais remplacer les interrupteurs commandés (CD4053) par des résistances de 0 Ohm. Le switch "Mute" sera donc toujours dans la position x, et le switch "Sample" sera toujours dans la position y. Est-ce bien cela ?

NOK: le mute évite aux circuits d'ampli de saturer pendant la phase de stabilisation de la forme d'onde.

Ou est-il préférable de laisser les CD4053 et de les commander avec le microcontrôleur ?

Oui, c'est exactement ça.

Le signal à envoyer dans le CAN est-il bien celui avant R29 ? (R29 étant supprimée)

Oui

Est-ce que tu pourrais donner tes fichiers .asc ?

Oui, je suppose que le fichier du schéma global qui est juste graphique ne t'intéresse pas beaucoup, voici les schémas électriquement fonctionnels, mais partiels, qui permettent de tester la partie "physique" et échantillonnage du circuit. Je mets tout en vrac, vois ce que tu peux en faire, si tu as des questions tu peux revenir.
(Changer .txt en .asc)

[escartefigue33]

Bonjour Tropique,

J'ai lu l'intégralité de tes messages, je n'ai pu en décrocher tellement j'ai trouvé celà enrichissant.
Il est vraiment dommage que ce fil soit aujourdhui stoppé.
J'ai personnellement animé le forum DDM-Elektor sur Yahoo pendant quelque temps, mais je suis loin d'avoir ton niveau.
Hélas ce forum a été tué par le spamming.
Les parties les plus intéressantes ont été rapatriées sur le forum d'Elektor.fr, Sur lequel nous avons tenté de relancer le sujet, malheureusement sans beaucoup d'amateurs à ce jour.
Le support est le livre de Rolf Whilelm "détecteurs de métaux" dans lequel il est décrit plusieurs détecteurs PI ou balance d'induction parfaitement fonctionnels.

Si tu veux bien nous faire l'honneur d'une petite visite, les gens de ta qualité sont toujours les bienvenus.

http://www.elektor.fr/forum/forum/re...).678211.lynkx

Cordialement,

GéGé

[Tropique]

Bonjour Tropique,

J'ai lu l'intégralité de tes messages, je n'ai pu en décrocher tellement j'ai trouvé celà enrichissant.
Il est vraiment dommage que ce fil soit aujourdhui stoppé.
J'ai personnellement animé le forum DDM-Elektor sur Yahoo pendant quelque temps, mais je suis loin d'avoir ton niveau.
Hélas ce forum a été tué par le spamming.
Les parties les plus intéressantes ont été rapatriées sur le forum d'Elektor.fr, Sur lequel nous avons tenté de relancer le sujet, malheureusement sans beaucoup d'amateurs à ce jour.
Le support est le livre de Rolf Whilelm "détecteurs de métaux" dans lequel il est décrit plusieurs détecteurs PI ou balance d'induction parfaitement fonctionnels.

Si tu veux bien nous faire l'honneur d'une petite visite, les gens de ta qualité sont toujours les bienvenus.

http://www.elektor.fr/forum/forum/re...).678211.lynkx

Cordialement,

GéGé

Je suis heureux d'avoir pu vous enrichir et vous divertir.

D'autre part, c'est bien d'avoir une référence francophone pour un forum traitant spécifiquement de détection de métaux, il y a clairement une demande pour cela: il y a souvent des questions sur le sujet posées en électronique, et elles ne sont pas traitées de manière aussi approfondie que nécéssaire. Maintenant, on saura où les aiguiller si nécéssaire, les archives que vous avez sauvées devraient à elles seules répondre à la majorité des questions.

Bon courage, je crois que le forum devrait redémarrer naturellement une fois qu'il sera suffisamment connu.

[inviteb61e4847]

Bonjour,

Avant tout, j'aimerais vous remercier pour ce topic très enrichissent et magnifiquement bien expliqué.

Cependant, j'aimerais vous demander, si ce n'est pas trop en demander, s'il serait possible de fournir un schéma équivalent un peu moins compact et "spaghetti". Celui que je trouve compact se trouvant au message #7.

Je vous remercie.

Cordialement, Weldod

[Tropique]

Cependant, j'aimerais vous demander, si ce n'est pas trop en demander, s'il serait possible de fournir un schéma équivalent un peu moins compact et "spaghetti". Celui que je trouve compact se trouvant au message #7.

Désolé:

Le chef n'a que des pâtes au menu (mais ce sont des P....i!)

[inviteb61e4847]

Désolé:

Le chef n'a que des pâtes au menu (mais ce sont des P....i!)

Pourrais- je avoir un plat de résistance alors ? Un petit schéma bloc ? ou sinon les sources du schéma du message #7 ?

Merci,

Cordialement, Weldod

[Tropique]

Tu es le deuxième à demander "des sources".
Le problème, c'est qu'il n'y en a pas, du moins pas dans le sens où tu l'entends probablement: le circuit est original, et n'est donc pas inspiré d'un schéma existant.
Quant aux différents blocs de fonction, oscillateur, monostables, amplificateurs, VCO, etc, ils sont dans l'ensemble relativement standards et peuvent être trouvés dans de nombreuses références: notes d'application, cours, etc.
Ce serait fastidieux et inutile de citer une source en exemple pour chacun d'eux, c'est quelque chose qui se trouve facilement dans des schémathèques, par exemple ceci:
http://www.discovercircuits.com/list.htm
Il n'y a pas de synoptique, et c'est vrai que c'est une lacune (même si les chronogrammes explicitent assez bien le fonctionnement).
Je tenterai à l'occasion de la combler, cela facilitera la compréhension ( je ne fixe pas d'échéance, ça se fera quand ça se fera).

[inviteb61e4847]

Encore merci pour ce topic, maitre !

Je viendrai souvent le revoir et le conseillerai à mes collègues !

Bonne chance et bonne continuation !

Cordialement, Weldod

[inviteb61e4847]

Il peut paraitre logique d'utiliser deux bobines, une pour l'émission et l'autre pour la réception, mais en pratique, ce n'est pas obligatoirement le cas: parfois, une seule bobine remplit les deux rôles, parfois ce sont des arrangements de trois bobines, voire plus qui sont mis en oeuvre.
Au niveau de l'émission du stimulus, et de la manière de traiter le signal de retour, pas mal de variantes sont également possibles: on peut travailler à fréquence fixe, de manière scalaire ou vectorielle.
Une détection vectorielle permettra de traiter la phase du signal en plus de sa simple amplitude, et donnera des informations supplémentaires sur la nature de la cible.
On peut également travailler à fréquence variable: l'exemple le plus rudimentaire étant le BFO, et les plus sophistiqués des analyseurs de réseau adaptés à cette fonction.
Enfin, on peut se baser sur le domaine temporel plutot que fréquentiel: le détecteur Pulse Induction entre dans cette classe.
On peut remarquer que les domaines fréquentiel et temporel sont théoriquement équivalents. Ils donnent en principe les mêmes informations sous des formes différentes, et on peut passer de l'un à l'autre par une convolution adéquate.
En pratique, les conditions de fonctionnement sont telles que les résultats obtenus seront très différents. Nous reviendrons sur cet aspect.
Toutes ces méthodes sont en principe utilisables avec différentes configurations de bobines, ce qui donne pas mal de combinaisons possibles. Une des configurations les plus répandues est l'Induction Balance, dont l'avantage principal est de permettre une bonne réjection du signal émis dans le signal reçu.

Re bonjour Maitre Tropique,

Je dois faire un travail de recherche pour mon apprentissage. J'ai choisit les détecteurs de métaux. Après quelques minutes de recherche, je vois qu'il y a différents types de détecteurs. Ci- dessus, vous parlez de différents types, Je connais la PI et le décalage de fréquence, pourriez vous me donner quelques autre types ?

La performance n'est pas un problème, je veux juste montrer tout les types possible de détecteurs , même les moin performants.

Merci

Cordialement, Weldod