Un détecteur de métaux est un appareil permettant de localiser des objets métalliques en exploitant le phénomène physique de l'induction magnétique. Il est utilisé par exemple dans le domaine de la sécurité, dans les aéroports pour détecter des armes cachées sur les passagers d'un avion, dans le domaine militaire pour le déminage, dans les loisirs pour la recherche de divers objets enfouis, en archéologie pour la recherche d'objets anciens et, marginalement, dans le domaine médical pour la détection des métaux avant utilisation d'un appareil d'IRM.
Afin de limiter les atteintes au patrimoine archéologique et historique, l'utilisation de détecteurs de métaux est réglementée dans différents pays. Lorsqu'il sont utilisés à des fins de recherche d'objets historiques, plusieurs types de réglementations existent pouvant aller jusqu'à l'interdiction sans autorisation de l'Etat comme en FrancePeut-on utiliser librement un détecteur de métaux dans un but archéologique ?.
Historique vignette|Détecteur de métaux utilisé pour trouver les bombes inexplosées en France après la Première Guerre mondiale (1919).
En 1881, le président des États-Unis James Garfield, fut victime d'un attentat. Aucun des 16 chirurgiens qui le traitèrent ne put localiser la balle qui était restée dans son corps. Alexander Graham Bell fut convoqué à son chevet et utilisa un détecteur de métaux primitif pour rechercher la balle, mais sans succès.
Durant la Première Guerre mondiale, des détecteurs de métaux sont utilisés par des chirurgiens pour localiser ou même extraire (avec un électro-aimant) des éléments métalliques ayant pénétré le corps (l'œil en particulier). En particulier un « révélateur de métaux à distance » était utilisé, sous forme d'un « doigtier audioscopique », basé sur le principe de la balance électrique de Hughes ; un écouteur dit téléphone placé sur l'oreille du chirurgien lui signale au moyen d'un son plus ou moins fort si son doigt muni du doigtier s'approche ou s'éloigne de l'objet métallique à extraire. Selon H Guilleminot, une version de grande taille de ce détecteur aurait même été testée pour retrouver dans le sol des munitions non explosées, avec des résultats « qui sont parait-il des plus encourageants » précisait Guilleminot.
Gerhard Fisher est l'inventeur et le constructeur d'un des tout premiers détecteurs de métaux à large diffusion, le « metallascope ». Il connaîtra le succès après avoir fondé en 1931 l'entreprise Fisher Labs qui commercialisera son inventionThe History of Metal Detectors, Western & Eastern Treasures magazine, September 1999, par Roy T Roberts.
Józef Kosacki est l'inventeur durant l'hiver 1941-1942 d'un détecteur de métaux portatif, le détecteur de mines polonais. Il fut utilisé pour la première fois par l'armée britannique pour le déminage en Afrique du Nord.
Fonctionnement Principe Un détecteur de métaux fonctionne en exploitant un phénomène physique bien connu : l'induction électromagnétique. Seuls les objets conducteurs, et en particulier les métaux, sont le siège de courants induits (les courants de Foucault).
Un détecteur de métaux est composé de deux bobines : la bobine émettrice est alimentée par un courant électrique alternatif sinusoïdal. la bobine réceptrice réagit au champ magnétique induit par les courants de Foucault et produit un courant électrique qui présente un décalage de phase par rapport au courant de la bobine émettrice. Un processeur analyse l'intensité du courant induit ainsi que son décalage de phase pour opérer la détection. Cette analyse lui permet de percevoir la profondeur, la taille et la conductivité de l'objet.
Discrimination Plus l'objet métallique est gros, plus il sera conducteur et plus le décalage de fréquence sera grand. De même certains métaux sont meilleurs conducteurs (l'argent notamment) et le décalage de fréquence sera d'autant plus grand. C'est en étudiant ce décalage de fréquence que l'objet détecté peut être « discriminé », c'est-à-dire réussir à distinguer et trouver la nature de ce métal. Mais dans la pratique, c'est un peu différent. En effet un détecteur de métaux cherche du métal mais aussi ses différents alliages. La conductivité électrique d'un alliage est différente d'un alliage à un autre et sa valeur peut être proche entre deux alliages de nature très différente.
Ainsi de l'or 18 carats, peut tout à fait être confondu avec du papier d'aluminium et si le papier d'aluminium est éliminé à l'aide du bouton discrimination, l'or est également éliminé. De l'or bas titre (14 carats) pourra même être visualisé sur le vu-mètre du détecteur comme du fer (ou proche).
En définitive, la discrimination n'est valable que pour les petits ferreux (petits morceaux de fil de fer barbelé ou petits clous) mais pas pour les grosses masses ferreuses (comme un fer à cheval dont la forme en boucle se détecte facilement). Toutefois, il existe des détecteurs de métaux capables d'indiquer la présence d'une grosse masse ferreuse sans erreur. Le fer donne en effet un signal particulier facilement reconnaissable sur un oscilloscope. Du fait de la variété des alliages, la discrimination ne peut être considérée comme totalement fiable. Si tous les métaux étaient purs, discriminer ne serait pas un problème.
Principes physiques La détection d’un métal dans l’air par un appareil électronique se fait toujours selon le même principe physique : l’induction magnétique. Un conducteur électrique transportant du courant produit un champ magnétique dans l’espace qui l’entoure mais l’inverse est également vrai. Un champ magnétique variable produit un courant dans un conducteur.
À travers une bobine, la loi de Faraday donne la valeur de la force électromotrice produite par la variation du champ magnétique. La présence d’un objet métallique à proximité d'une bobine modifie son inductance, ce qui est repéré électroniquement par la modification de la force électromotrice aux bornes de la bobine.
Types Les premiers détecteurs fonctionnaient selon le principe du battement de fréquence mais ils étaient peu performants. La technique des très basses fréquences donna une meilleure sensibilité, mais dans les années 1960, l’induction par impulsion fut mise au point et elle est actuellement encore la plus utilisée.
Battement de fréquence Les détecteurs à battement de fréquence furent les premiers à apparaître car ils sont simples à mettre en œuvre mais ce sont également les moins sensibles. Le principe est le battement de fréquence. Il utilise, en fait, deux oscillateurs, l’un fixe, l’autre sensible aux modifications du champ magnétique. La modification du champ magnétique d’une bobine influe, comme nous l’avons vu, sur son inductance et donc, si un oscillateur est construit autour de cette dernière, celui-ci aura une fréquence qui réagit avec le champ magnétique et donc la présence de métal.
Pour l’utiliser, il suffit de comparer le signal issu de cet oscillateur avec un signal de référence ; ce dernier représente le signal du premier oscillateur qui ne serait pas modifié par la présence de métal. Le signal comparé peut servir à allumer une diode ou être relié à un amplificateur pour entendre via un haut-parleur la différence des fréquences si celle-ci est comprise entre et .
Très basse fréquence Les fréquences utilisées sont inférieures à 20 kHz. Ce détecteur est composé de deux bobines, une émettrice et une réceptrice. La bobine émettrice traversée par un courant sinusoïdal engendre autour d’elle un champ magnétique ; lorsqu’un objet métallique passe dans ce champ magnétique, des courants de Foucault apparaissent en son sein. Ces courants engendrent à leur tour un champ magnétique qui tend à compenser le champ magnétique créé par la bobine émettrice. La bobine réceptrice va réagir au champ magnétique émis par l’objet métallique, un courant induit va la traverser. Ce courant traité par l’électronique permet de savoir s’il y a ou non un objet métallique.
Ce détecteur permet de discriminer les métaux et les ferromagnétiques. Le signal perçu par la bobine réceptrice est déphasé par rapport au signal émis. Le déphasage dépend des métaux et permet ainsi de les discriminer. Pour un prospecteur, le but est de se débarrasser avant tout des petits objets en fer. Discriminer l'aluminium fait courir le risque de manquer des cibles intéressantes en alliage tel que le billon, l'électrum, le potin (qui ont servi à travers les âges à fabriquer des monnaies) et même l'orLe Fouilleur, numéro 26, janvier-février 2009, Le Gamma 6000 dans tout cela, par David Cuisinier, .
La fréquence d'oscillateur sur laquelle le détecteur fonctionne conditionne sa qualité de réponse aux métaux précieux ainsi que sa résistance aux effets de sol. Ainsi, plus sa fréquence est haute (au-dessus de et très au-delà, vers 20 kHz), plus il sera sensible aux ferrailles et perturbations du sol et moins bien il ressentira les métaux précieux. En dessous de 10 kHz ou encore plus bas, les appareils deviennent insensibles aux effets de sol réducteurs de leur performancesTrésors et Détections, , mai-juin 2005, les détecteurs de métaux ACE 250 PRO de Garrett, Tests collectifs mis en forme par Yves Mauchamps, p.24.
Les détecteurs de métaux très basse fréquence, appelés aussi VLF (very low frequency), peuvent être utilisés avec deux types de disques de détection : les disques concentriques et les disques wide scan (appelés aussi double D). La différence entre ces deux types de disques vient de l'agencement interne des bobines émettrices et réceptrices. Dans un disque concentrique, les deux bobines ne se chevauchent pas, alors que dans un disque wide scan elles se chevauchent sur une petite surface.
Induction pulsée Le détecteur à induction pulsée ne nécessite qu’une seule bobine. Ces détecteurs sont très performants dans la recherche en grande profondeur. Ils peuvent détecter jusqu'à sous le sol pour des objets réduits et jusqu'à environ 3,50 m pour de grosses masses métalliques. Une puissante impulsion de courant est envoyée dans la bobine. Chaque impulsion engendre un champ magnétique très bref. Quand l’impulsion prend fin, la polarité du champ s’inverse et s’écroule soudainement ce qui provoque un pic de courant, l’impulsion de retour.
Celui-ci dure quelques microsecondes et cause un autre courant à travers la bobine. Le processus se répète. Si le détecteur est au-dessus d’un objet métallique, l’impulsion crée un champ magnétique opposé dans l’objet. Quand l’impulsion s’arrête, le champ magnétique de l’objet augmente la durée de l’impulsion de retour. Un circuit test permet de contrôler la durée de l’impulsion de retour. En la comparant avec la longueur de départ, le circuit détermine si un autre champ magnétique a rallongé le temps de décroissance de l’impulsion de retour.
Ces détecteurs n'ont pas nécessairement la forme en plateau ovale des détecteurs classiques à basse fréquence. Il en existe sous forme de cadre de ou , à soulever des deux mains, ceux-ci ne détectant alors que les masses de la taille d'un poing, donc pas les petites pièces. Mais il existe de plus petits cadres, proche de la taille d'un plateau classique, qui eux détectent les pièces et autres petits objets, toujours en technologie d'induction pulsée. Ce type de détecteur se rencontre aussi sous la forme de deux petits cadres reliés par une barre se fixant sur un tableau de bord de détecteur classique. Leur performance en discrimination est beaucoup moins importante que ceux à basse fréquence. En revanche, ils sont beaucoup moins sensibles aux effets de sol. Les premiers modèles étaient statiques (se déplacer d'une zone de détection à une autre puis rester statique pour la détection), on en trouve à présent des semi-statiques où l'on peut se déplacer très lentement sur le terrain.
Multi-fréquences simultanées