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Prospection

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Les magnétomètres peuvent être des compléments aux détecteurs de métaux classiques. Ils permettent de détecter des métaux ferreux à grande profondeur (ou sous l'eau, pour les épaves) en analysant les variations locales du champ magnétique terrestre. Ces appareils coûtent très cher, et sont destinés aux "vrais" scientifiques. Il est donc rentable (et intéressant) de les bidouiller, surtout que les schémas ne sont pas forcément compliqués...

Il faut retenir que les unités d'induction sont le Gauss (G, système EMCGS), le Tesla (T, système SI) et le gamma.

1 Tesla = 10.000 Gauss (104 G) = 109 gammas

On utilise aussi : 10-9 T = 1 nanoTesla = 1 nT = 1 gamma

Les unités les plus employées par les constructeurs sont le nanoTesla (10-9 T) correspondant au gamma, le microTesla (10-6 T), le milliTesla (10-3 T) ou le Gauss (10-4 T). Le champ magnétique terrestre varie de 70.000 nT (pôles) à 25.000 nT (équateur). Il était plus "humain" d'utiliser le Gauss, bien adapté à la mesure du champ magnétique terrestre qui fait en gros "un demi Gauss" (pas de nanos ou de micros à manipuler). Mais le système SI impose le Tesla !

Si l'on est rigoureux, le Gauss, le Tesla et le gamma servent à mesurer la "densité de flux magnétique". Certains constructeurs emploient l'Oersted (unité de force de champ magnétique), qui est équivalent au Gauss car l'air a presque les mêmes propriétés que le vide, et dans ce cas, les deux unités peuvent être employées de façon équivalente sans commettre d'erreur.

Un article des "Proceedings of the IEEE" (vol.78, n°6, juin 1990) présente l'état de l'art dans le domaine des capteurs : "A review of Magnetic Sensors" (27 pages). Différents types de magnétomètres sont passés en revue :

  • "Search coil" (simple bobine avec ampli de mesure à la suite).
  • "Flux gate" (deux bobinages sur un noyau ; on envoie un signal sinusoïdal sur le 1er enroulement et on mesure l'amplitude de la 2e harmonique, proportionnelle au champ magnétique, sur le secondaire).
  • "Optically pumped" : on exploite l'effet Zeeman (dédoublement d'une raie du spectre de la vapeur de césium).
  • "SQUID" : Superconducting Quantum Interference Device. Ce dispositif utilise des matériaux supraconducteurs (très basses températures), et ce n'est plus de la bidouille. Il permet de mesurer des signaux de 10-5 Gauss (pour voir l'activité du cerveau : magnétoencéphalographie).
  • "Hall effect sensor" : voir ci-dessous pour des précisions : c'est réalisable par un bricoleur !
  • "Magnetoresistive sensors" : un peu comme l'effet Hall, mais avec du Permalloy (alliage de nickel et de fer). Philips fabrique de tels détecteurs : KMZ10, KMZ41, KMZ51... Ces composants sont très sensibles ! Plus que les cellules à effet Hall.
  • "Magnetodiode" : composant pas facile à fabriquer, et pas facile à trouver chez les revendeurs...
  • "Magnetotransistors" : utilisant l'effet Hall ou l'effet Suhl.
  • "Fiber-Optic" : c'est un interféromètre de Mach-Zender dont une des branches est entourée d'un matériau magnétostrictif (dimensions variant selon le champ magnétique). On peut détecter des changements de longueur de la fibre de 10-13 mètres ! La plage de mesure varie de 10-7 Gauss à 10 Gauss.
  • "Magneto-Optical" : utilise l'effet Faraday (polarisation de la lumière traversant un cristal dont la constante de Verdet est forte)... Ne m'en demandez pas plus, je me contente de résumer ce que je lis dans le texte, mais je me vois mal avec ce genre de montage sur une table de cuisine poussiéreuse.

L'application la plus populaire de ces capteurs est la mesure de la position d'un axe (roue dentée et capteur à effet Hall) dans un moteur de voiture. L'application la plus "secrète" est la détection de sous-marins ennemis (qui savent qu'ils sont détectés, donc qui se protègent) depuis des avions amis volant très haut. Imaginez le champ magnétique terrestre moyen de 0,5 Gauss, et le magnétomètre à fibre optique qui peut mesurer 10-7 Gauss, comparé au champ magnétique produit par le cerveau (10-5 Gauss)... A quelle distance détecte-t-on le passage de la bicyclette du facteur depuis un satellite ?

Magnétomètre à protons :

  • "Loisirs Pratiques" (revue disparue, numéros 1 à 9 disponibles en album relié à la boutique "Prospections", Paris XVIIIe) : article de Claude Clerc et Jacques Perrelet décrivant en détails la réalisation d'un magnétomètre à protons. L'appareil semble farfelu, car il se compose principalement d'une perche de 2 mètres que l'on tient horizontalement (comme un équilibriste), avec une bouteille remplie d'eau (si, si !) à chaque extrémité. Mais ne riez pas... Si vous doutez, lisez des encyclopédies et quelques articles sur la théorie de la "précession de Larmor". Vous verrez qu'un "magnétomètre à protons" (dont le nom pourrait effrayer les foules) est bien composé de deux bouteilles d'eau fixées au bout d'une perche et de quelques circuits électroniques.
  • J'ai recopié sur le site-mickey le dossier "magnétomètre à protons" trouvé sur un site américain . La version a été remise à jour le 10 février 1999. J'essaierai de faire régulièrement un tour sur le site pour voir s'il y a des modifs... en espérant que les pages originales ne disparaitront pas trop vite.

"Fluxgate" (variation de flux dans une bobine sur noyau en "mumétal") :

  • "Electronics World + Wireless World", septembre 1991 (7 pages) : "Fluxgate magnetometry". Un schéma, mais sans circuit imprimé ni affichage. Bonne explication du principe de mesure.
  • "Electronics World + Wireless World", janvier 1992 : "Electronic fluxgate compass" (5 pages). Il s'agit d'une boussole à affichage numérique. Une boussole de ce type était vendue chez Tandy (marque Micronta, affichage comme un horizon artificiel d'avion).
  • "Radio Electronics", novembre 1989 : "Digi-Compass". Explications sur le "fluxgate magnetometer", description avec schéma de la boussole électronique "Micronta" (pour voiture), et interfaçage de cette boussole sur un PC pour voir un cercle avec un trait sur l'écran symbolisant l'aiguille d'une boussole.
  • "Electronics World + Wireless World", décembre 1994 (1 page) : "Magnetic field detector". Schéma simple à 4 transistors et un 4011, avec bâtonnets de ferrite.
  • "Electronics", 24 novembre 1977 : oscillateur variable à 2 transistors réagissant aux variations de champ magnétique. Schéma de base à étoffer. On utilise du mumétal, mais ce n'est pas un problème. Si des bidouilleurs sont intéressés, il leur suffit de récupérer les "antivols" insérés dans les livres (pas les spirales plates carrées, mais les barrettes transparentes fines de 10 cm collées entre les pages !). Ils pourront fabriquer leur magnétomètre avec ce mumétal de récupération.
  • "Electronic Engineering", mars 1977 : "High precision magnetometer using COS MOS circuits" (2 pages). Utilise une barrette de mumétal de 3 cm de long, et de 1mm sur 0,1mm d'épaisseur... Vous voyez, c'est pile-poil les dimensions des antivols (voir plus haut) ! 5 transistors et quelques CI (4066, 4011, 4013, LM 108).

Les magnétomètres à base de cellules à effet Hall.

  • "Radio Electronics", juin 1991 : "Build an electronic compass" (4 pages). Une boussole électronique avec deux capteurs type UGN3503U, LM324 et 78L05. Une LED s'allume quand on positionne l'instrument correctement "vers le nord".
  • "Nouvelle Electronique", n°42, 15 février-15 avril 1999 : "Gaussmètre digital" avec un capteur UGN3503U et l'équivalent d'un voltmètre digital. Normalement vendu en kit, mais facilement bidouillable sans acheter le kit.
  • Magnétomètres.