Come creare un semplice metal detector

Un metal detector permette di rilevare la presenza di un metallo nelle vicinanze senza toccarlo. I metal detector sono perciò usati in una vasta gamma di applicazioni. Fino a poco tempo fa, il privilegio di usare un metal detector era riservato ai pochi fortunati che potevano permettersi il costoso strumento. Ma con i progressi dell’elettronica e della tecnologia il prezzo di questi apparecchi è sceso a un livello accessibile. Certamente è possibile acquistarne uno, ma è più divertente costruirne uno noi stessi. In questo articolo vedremo due facili modi per farlo, forse i più semplici in assoluto.

I metal detector si possono usare per la ricerca di meteoriti o di piccole pepite d’oro. Possono essere utili anche per aiutare a localizzare monete perse, gioielli, chiavi e condutture del gas. I metal detector hanno pure aiutato gli archeologi nella scoperta di preziosi manufatti e monete che erano una volta gli oggetti di uso quotidiano dei nostri antenati. Oggi vengono usati molto per rilevare metalli che possono essere dannosi, in luoghi come aeroporti, centri commerciali, banche, etc.

I progetti che presenteremo sono semplici e poco costosi, ma ovviamente non offrono l’accuratezza e il controllo dei moderni rilevatori per uso professionale e semi-professionale, che grazie a una tecnologia più sofisticata includono funzionalità più avanzate, come ad esempio la discriminazione dei vari metalli.

Pertanto, gli schemi proposti sono utilizzabili per dispositivi portatili a basso costo e in rivelatori di tipo giocattolo, non essendo in grado di rilevare oggetti sepolti a profondità di 20 o 30 cm. Altrimenti, puoi valutare l’acquisto di un metal detector con un buon rapporto qualità/prezzo, come ad esempio quelli che puoi trovare qui.

Come funziona un metal detector

La maggior parte dei metal detector utilizza una caratteristica “testa” che contiene una bobina di ricerca come parte di un circuito oscillatore con una certa frequenza. Ogni volta che una corrente variabile passa attraverso la bobina, genera intorno a sé un campo magnetico. Quando un metallo viene a trovarsi in prossimità della bobina di ricerca, la frequenza delle oscillazioni del circuito oscillatore si modifica e la variazione può essere percepita anche dal nostro orecchio.

Molti metal detector professionali usano un altro oscillatore più stabile (noto come BFO, che sta per “Beat Frequency Oscillator”, o stadio oscillatore a frequenza di battimento) come riferimento per la frequenza della bobina di ricerca. In questo modo si può misurare in maniera quantitativa quella che, in gergo, si chiama la “variazione di induttanza di una bobina soggetta a un campo magnetico variabile”, grazie agli effetti che un oggetto metallico ha su un campo magnetico.

Un metal detector BFO professionale in voga negli anni Settanta.

Di solito, la frequenza di tale oscillatore di riferimento ​​è regolata in modo da corrispondere esattamente a quella dell’oscillatore della bobina di ricerca quando quest’ultima non si trova nelle vicinanze di alcun metallo. I segnali provenienti da questi due oscillatori vengono quindi inviati a un circuito, generalmente analogico, che crea un’uscita proporzionale alla differenza di frequenza fra le due. Tale segnale può essere un tono udibile e/o un numero letto su un contatore.

Infatti, se entrambi gli oscillatori hanno la stessa frequenza, non si sente nulla nell’altoparlante. Pertanto, nei metal di questo tipo, mentre si tiene il rilevatore in aria libera, lontano da oggetti metallici, occorre utilizzare il controllo di sintonizzazione per far sì che i due oscillatori si trovino alla stessa frequenza e dunque non si senta nulla dall’altoparlante. Una volta fatto, posizionando la bobina vicino a oggetti di metallo, l’equilibrio viene turbato e si sente un tono audio dall’altoparlante.

Un altro dispositivo ottimo per rilevare i piccoli cambiamenti di frequenza è un microcontrollore, come ad es. Arduino. Si può quindi sostituire l’oscillatore di riferimento con il microcontrollore. Supponiamo che il circuito oscillatore fornisca un segnale – ad es. a 160 kHz – a un pin analogico della scheda Arduino. Allora, il software di Arduino è in grado di misurare la frequenza in questione molto accuratamente. Pertanto, ogni deviazione da questa frequenza può essere segnalata opportunamente.

Induttanza, frequenza e sensibilità

Ciò che è importante sapere e capire è che l’induttanza di una bobina dipende dalla permeabilità magnetica. Infatti, l’induttanza di una bobina è data dalla formula seguente, dove: L è l’induttanza della bobina in Henry, μ0 la permeabilità magnetica assoluta (pari a 4 π x 10-7 nell’aria), N il numero di giri o spire della bobina, A l’area della bobina in metri quadrati, ed infine l la lunghezza della bobina in metri.

Esistono 2 modi in cui la permeabilità può variare: (1) la permeabilità viene aumentata a causa della presenza di oggetti di ferro; (2) la permeabilità viene diminuita a causa delle correnti parassite indotte in oggetti non ferrosi. Il campo magnetico alternato crea piccole correnti in questi oggetti, che a loro volta producono un campo magnetico che si oppone al campo originale. In tal caso, l’induttanza della bobina diminuisce. Dunque, in entrambi i casi, l’induttanza viene cambiata.

Il campo magnetico prodotto dagli oggetti che influenza l’induttanza della bobina.

Ciò che è interessante è che il segno del cambiamento dell’induttanza (ovvero se aumenta o diminuisce) può essere usato come discriminatore di base per distinguere tra oggetti ferrosi e non ferrosi. L’idea alla base di un metal detector, dunque, è di misurare la frequenza di un oscillatore LC, dove L è un induttanza e C una capacità. Fissando la capacità C, qualsiasi variazione nella frequenza dell’oscillatore significa che l’induttanza L è cambiata a causa della presenza di alcuni oggetti metallici.

La frequenza dell’oscillatore è un compromesso importante. Una bassa frequenza (10 KHz) è la migliore per penetrare nel terreno. Un’alta frequenza, invece, è la migliore per indurre le correnti parassite. Inoltre, maggiore è la frequenza, maggiore è la risoluzione a parità di tempo di integrazione durante il conteggio. Pertanto, la maggior parte dei circuiti BFO usano come frequenza la gamma 100 KHz.

Maggiore è il diametro della bobina, maggiore è la profondità di penetrazione del metal detector, ma meno sensibile è per i piccoli oggetti. Come regola generale, la penetrazione è circa uguale al diametro della bobina di ricerca, mentre la sensibilità è approssimativamente proporzionale al cubo del diametro dell’oggetto. La sensibilità è anche inversamente proporzionale alla sesta potenza della distanza.

Una bobina del diametro di 150 mm (che può usare come supporto il contenitore in plastica rigida dei dischetti Dvd) può dare una buona sensibilità a piccoli oggetti e garantire una penetrazione di circa 100-150 mm. Ricorda, che se il diametro della bobina viene aumentato, il numero di giri deve essere ridotto per mantenere una frequenza costante del circuito oscillante.

Un metal detector elettronico

Il circuito super-semplice mostrato di seguito in questa sezione, ideato da T. Scarborough, rappresenta probabilmente i limiti della semplicità per un metal detector di tipo BFO realizzabile per divertimento. Utilizza infatti un singolo circuito integrato oscillatore (TL071), una bobina di ricerca e, naturalmente, un interruttore e 4 pile da 1,5 V. Non è molto sensibile, ma è ugualmente divertente usarlo.

Schema del più semplice metal-detector con circuito BFO. (fonte: T. Scarborough)

Si consideri, infatti, che il classico circuito BFO di Colpitts è molto più complesso e non è così stabile. Ad ogni modo, il metal detector appena mostrato rivelerà una moneta da 25 mm di diametro a 9 cm di distanza, che per un rivelatore del tipo BFO è relativamente buona. Inoltre, risponderà in modo diverso ai metalli ferrosi e non ferrosi, ad es. chiodi o monete arrugginiti, tramite un aumento o calo di tono.

Il progetto si basa su un semplice oscillatore inverter, collegato all’antenna di una radio MW, usata in modulazione di ampiezza (AM) sulle onde medie o lunghe. Quando un oggetto di metallo viene avvicinato alla bobina L1, la frequenza dell’oscillatore (circa 200 kHz) cambia, determinando uno spostamento nella differenza fra le due frequenze udibile nell’altoparlante della radio.

Tipici intervalli di frequenza delle varie bande di ricezione di una radio commerciale.

Realizzate il circuito e collegate un cavo all’antenna dell’apparecchio radio, come mostrato nello schema. Questo cavo che va all’ingresso di antenna dovrebbe essere schermato (come ad es. i cavi d’antenna), con la relativa schermatura che va collegata a -6V (cioè al polo negativo delle 4 pile da 1,5 V usate per l’alimentazione).

La testa del metal detector in cui è alloggiata la bobina richiede una “schermatura di Faraday”, che va anch’essa collegata alla terra (o polo negativo) del circuito. Una schermatura di Faraday è semplicemente un involucro di lamina di carta stagnola (alluminio) avvolto attorno alla bobina del metal detector, lasciando un piccolo spazio in cui il foglio non completa l’intera circonferenza della bobina. La schermatura di Faraday può venire avvolta, a sua volta, da un nastro isolante.

La connessione alla schermatura di Faraday si fa così facendo semplicemente toccare un pezzo di filo alla stagnola prima di aggiungere il nastro. L’ideale è collegare la bobina di ricerca alla terra del circuito tramite un cavo microfonico twin-core, con la relativa schermatura collegata alla schermatura di Faraday. La bobina è costituita da 70 spire di filo di rame smaltato 22 AWG del diametro di 12 cm.

Accendi sia il metal detector che la radio e sintonizza la radio fino a quando non si sente un chiaro fischio nell’altoparlante (alcuni ricevitori radio a eterodina funzioneranno meglio di altri). Ci sarà una “banda di silenzio” al centro della maggior parte delle eterodine, ovvero una frequenza di battimento zero; e, a seconda di quale lato di questa frequenza di battimento zero viene sintonizzata, il tono nell’altoparlante della radio aumenterà o diminuirà in presenza del metallo.

Un sintonizzatore radio in grado di ricevere onde medie e onde lunghe.

Un progetto che utilizza Arduino

Il progetto che illustreremo ora usa invece una scheda Arduino Nano, una bobina di ricerca, un cicalino e pochi altri componenti elettronici per la rilevazione dei metalli. Quando il metal detector rileva qualsiasi metallo vicino alla bobina di ricerca in funzione, altera la sua induttanza e il cicalino piezolelettrico inizia a emettere un “bip” molto rapidamente – il tipo di rumore di solito associato a un contatore Geiger – invece del classico tono crescente caratteristico dei metal detector professionali.

Lasceremo alla creatività del lettore ed ai materiali disponibili, la realizzazione delle parti che fisicamente devono costituire la testa che ospita la bobina e il tubo che sorregge sia la testa in questione sia una scatola con il circuito elettronico che ora illustreremo. Ad ogni modo, una vecchia lampada Ikea può essere l’ideale per ospitare l’hardware di un metal-detector. Pertanto, il materiale necessario per realizzare il “cuore” del progetto – ovvero solo la sua parte elettronica – è il seguente:

  • Una scheda Arduino Nano (o di altro tipo)
  • Almeno 5 m di filo per la bobina (20-30 spire larghe 10-15 cm o più)
  • Condensatore da 10 nF (si consiglia del tipo MLCC)
  • Resistenza da 1 kOhm
  • Resistenza da 330 Ohm
  • Un diodo 1N4148
  • Un diodo LED
  • Un cicalino (buzzer)
  • Una breadboard (per la prova del circuito)
  • Una basetta millefori (per il montaggio finale)
  • Una pila da 9 V
  • Cavi di collegamento (jumper)

Come condensatore, si suggerisce di non utilizzare un normale condensatore ceramico, bensì un condensatore MLCC (multistrato, come ad es. quelli della Farnell). Altrimenti, durante i test del metal detector autocostruito, potreste eventualmente notare un cambiamento nella soglia di rilevazione dei metalli. Non potete però continuamente ricalibrare il rilevatore. La scelta di un condensatore non standard, soltanto un po’ più costoso, può pertanto risolvere il problema alla radice.

Per questo circuito, si può usare inizialmente una bobina con circa 20 giri o avvolgimenti aventi un diametro di 10 cm. Per creare la bobina si può quindi usare un rotolo di nastro vuoto e avvolgervi il filo intorno. Conviene però poi provare diverse bobine di ricerca per vedere quella migliore: circa 30 giri di filo a formare un cerchio di 15 centimetri di diametro dovrebbero funzionare bene. Ricordatevi della già citata formula dell’induttanza per adeguare i due principali parametri (diametro e numero di giri).

Come realizzare il relativo circuito

Il circuito del metal detector utilizzante Arduino Nano (la più piccola delle schede Arduino) è molto semplice. Un LED e un cicalino vengono usati come indicatore – rispettivamente ottico e acustico – di rilevamento del metallo. La bobina e un condensatore sono utilizzati, invece, per il rilevamento dei metalli. Viene usato un diodo rivelatore di segnale anche per ridurre la tensione. E, infine, una resistenza per limitare la corrente al piedino (pin) di Arduino. Il tutto è mostrato nello schema qui sotto.

Schema di un metal detector basato sulla scheda open-source Arduino Nano.

Il funzionamento del circuito è il seguente. Un’onda quadra, generata dal pin A4 di Arduino, va al filtro passa-alto LR. A causa di ciò, vengono ogni volta generati dalla bobina dei picchi molto brevi (circa 0,5 microsecondi), corrispondenti ad altrettanti impulsi. La lunghezza dell’impulso dei picchi così generati è proporzionale all’induttanza della bobina. Quindi, con l’aiuto dei picchi di questi impulsi, possiamo in linea di principio misurare l’induttanza della bobina, tuttavia i picchi sono troppo brevi.

Perciò, per risolvere questo problema, viene usato un condensatore che viene caricato dall’impulso o dal picco in aumento. E pochi impulsi sono sufficienti per caricare il condensatore fino al punto in cui la sua tensione può essere letta dal pin analogico A5 di Arduino, grazie al Convertitore Analogico-Digitale (ADC) di cui Arduino è dotato. Dopo che la tensione è stata letta, il condensatore viene scaricato rapidamente via “software”, settando il pin A5 come uscita e impostandolo su “basso”.

Per un risultato migliore, la misurazione viene ripetuta decine di volte e viene fatta, dal software caricato su Arduino, una media dei risultati. È così che viene misurata l’induttanza approssimativa della bobina. In base al risultato ottenuto, il programma caricato in Arduino decide se attivare il LED e il cicalino per segnalare la presenza di metallo. Puoi trovare online, ad esempio cliccando qui, il codice completo (sketch) per comprenderne il funzionamento e per poterlo caricare su Arduino.

Si noti che il circuito funziona ad alte frequenze e che la lunghezza dei cavi di collegamento può rendere instabile il circuito quando viene utilizzato su una breadboard anziché su una basetta millefori. Pertanto, mantieni i fili corti con una sovrapposizione minima e assicurati che il cablaggio non abbia alcun movimento durante il funzionamento. Anche l’alimentazione USB dal PC ha un impatto sulla stabilità e sulla frequenza del circuito. Pertanto, anche durante il test, alimenta il circuito con la pila da 9 V.

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