Metal detector

Esperimenti vari


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Una cosa che mi ha sempre affascinato fin da piccolo e' il metal detector. Ovviamente nei miei sogni infantili un piccolo metal detector era in grado di trovare immensi tesori anche a notevole profondita' e mi avrebbe certamente fatto diventare ricchissimo in breve tempo.. Poi ho capito che non era cosi', ma il metal detector continuava ad avere un fascino particolare: con una semplice bobina poteva stabilire se c'erano o meno oggetti metallici nell'intorno, addirittura poteva detectarli a distanza non solo all'interno della bobina.

Purtroppo ai tempi d'oro, quando leggevo riviste di elettronica, non sono mai riuscito ad inciampare un uno schifoso progetto di metal detector, cosi' ci sono voluti diversi anni prima di riuscire a rendermi conto di che cosa ci fosse dentro.

Cerchiamo di andare per gradi: il metal detector e' una sorta di sensore che percepisce la presenza di masse metalliche, meglio se ferromagnetiche. Sappiamo che da qualche parte c'e' quasi sempre una bobina, quindi possiamo immaginare che la massa di ferro in prossimita' della bobina ne modifichi le caratteristiche. Solitamente ne modifica l'inditanza: di fatto stiamo aggiungendo un nucleo ferromagnetico all'interno di una bobina che quasi sempre e' avvolta in aria. Fin qui tutto bene, ora non ci resta che renderci conto della variazione di induttanza e il gioco e' fatto.

Il modo piu' semplice e' far si che la bobina in questione faccia parte di un circuito oscillante, la modifica dell'induttanza si riflette in un variazione di frequenza, a questo punto non resta che rilevare lo spostamento di frequenza; come si fa?
Il metodo piu' semplice e' quello di avere un oscillatore di riferimento e comparare le due frequenze.

Questo esempio mostra quanto semplice possa essere un metal detector: e' un semplice schema elettrico che ho copiato da una rivista di cui non posso divulgare il nome.

Schematic

Si tratta di un trasmettitore AM, la bobina e' avvolta su uno spezzone di ferrite cilindrica; per funzionare ha bisogno di una radiolina nei paraggi. Si sintonizza la radio su una stazione AM, si sintonizza il circuito in figura sulla stessa frequenza: i due segnali saranno ricevuti dalla radio ed essendo molto vicini genereranno un battimento udibile dalle casse della radio stessa. In queste condizioni se si avvicina una moneta all'antenna in ferrite del nostro metal detector il battimento si sposta in frequenza diventando un fischio.

Ovviamente questo non e' il piu' bel metal detector che ci sia al mondo, desiderio insonne di tutti i cercatori d'oro del mondo, e' solo un esperimento che vuole mostrare come con un po' di fantasia si possa ottenere un comparatore di frequenze senza nemmeno doverlo costruire.

Demo kit

Tempo fa mi sono autocostruito un piccolo demo kit per dimostrare il principio di funzionamento dei metal detector, ancora oggi ne vado molto fiero perche' e' l'unico che abbia una parvenza di funzionamento. E' grande come un pacchetto di sigarette e sfrutta le bobine rubate ad un floppy drive come antenna di ricerca. Per facilitare i collegamenti l'ho dotato di 3 connettori BNC, da collegare direttamente all'oscilloscopio.

Demo kit

Come si vede dallo schema elettrico e' molto semplice: si tratta di un oscillatore sinusoidale che sfutta una delle due bobine per oscillare. La seconda bobina e' semplicemente posizionata in prossimita' della prima ed e' caricata da una resistenza da 1k. Un'uscita e' presa ai capi della prima bobina, mentre un'altra uscita e' presa ai capi della seconda. Una terza uscita e' presa sulla base del transistor, ma questa da informazioni meno entusiasmanti delle altre due. Il tutto viene alimentato da una pila a 9V.

Schematic

Giusto per dovere di cronaca devo dire che la singola bobina presenta un'induttanza di circa 820uH.

In condizioni normali, senza oggetti metallici in prossimita' delle due bobine, il circuito oscilla alla sua frequenza naturale; nella figura sottostante possiamo vedere il segnale prelevato sulla prima bobina (in violetto) che si ripropone all'uscita della seconda bobina (in giallo). I due segnali sono perfettamente in fase, il secondo e' molto piu' piccolo del primo ma per il momento non ci scandalizza.

Waveform

Avvicinando un oggetto metallico al punto d'incontro delle due bobine si hanno diversi effetti: il segnale giallo e il viola si sfasano tra loro, l'ampiezza del giallo aumenta, la frequenza di entrambi si sposta. Qui sotto si puo' vedere il risultato avvicinando un tronchesino (quindi ferromagnetico) alle bobine.

Waveform

Purtroppo la demo finisce qui: questo non e' un metal detector completo, rappresenta solo la parte sensibile e permette di visualizzare i segnali direttamente sull'oscilloscopio, questi segnali andrebbero analizzati da un qualche circuito che alla fine decide se c'e' ferro o meno. Tutto questo esula da questa semplice demo.

Prima di abbandonarvi nell'oblio ci tengo a sottolineare una caratteristica peculiare di questo circuito: lo sfasamento tra il giallo e il lilla e' strettamente legato al metallo: analizzando opportunamente la differenza di fase tra i due segnali si potrebbe stabilire il tipo di metallo individuato, potremmo quindi distinguere l'oro dal ferro, dall'alluminio, dal rame, etc.


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