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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erfassen der Querschnittskonturen und Masse eines bewegten Gegenstandes mit einer optoelektronischen Messeinrichtung, welche einen, in wenigstens einer quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes stehenden
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empfangen wird.
Bei bekannten Einrichtungen zur optoelektronischen Rundholzvermessung im Längsdurchlauf wird der Holzstamm von zwei Seiten her, um 900 versetzt, abgetastet, um die einzelnen Durchmesser, Krümmung und Länge ermitteln zu können.
Für eine Optimierung des Rundholzeinschnittes ist es aber auch erforderlich, die Abweichungen der Holzstammquerschnitte vom Idealen Kreisquerschnitt zu kennen. Erst die Erfassung der Stammkonturen ermöglicht eine maximale Ausbeute für den Einschnitt.
Aus der AT-PS 403. 739 ist eine Einrichtung zum Erfassen der Längen und/oder Breitenmasse von bewegten Brettern bekannt, die eine optoelektronische Messeinrichtung mit einem im Brennpunkt eines Parabolreflektors befindlichen Drehspiegel aufweist, auf den ein von einem gepulsten Halbleiterlaser erzeugter komprimierter Lichtstrahl gerichtet ist. Die Abtastzyklen werden über eine an einem Ende des Parabolreflektors angeordnete, auf den Drehspiegel ausgerichtete Photodiode gesteuert. Das nach dem Auftreffen von der Brettoberfläche reflektierte Licht wird von Empfangselementen detektiert und in einer Auswerte-Einheit weiterverarbeitet.
Durch die in der Folge aufgezeigte erfindungsgemässe Ausführung wird eine Einrichtung der eingangs genannten Art bezweckt, die auf wirtschaftliche Art berührungslos die exakte Erfassung der Querschnittskonturen und Masse bewegter Gegenstände mit ausreichender Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit ermöglicht.
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Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Messebene seitlich von zwei zueinander spiegelbildlich angeordneten optoelektronischen Messeinrichtungen begrenzt wird, an denen jeweils im Bereich der Enden der Parabolreflektoren Detektorelemente angeordnet sind,
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Flächengelenkt und treffen waagrecht auf der Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes auf, so dass sich an beiden Seiten des Gegenstandes nacheinander etwa senkrechte Linien von Lichtpunkten bilden.
Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird jeweils von zwei Detektorelementen empfangen. Durch die Geometrie der erfindungsgemässen Einrichtung kann die Auswerte-Einheit aus der Zahl und Intensität der detektierten Lichtimpulse pro Abtastzyklus die Lage der Lichtpunkte und damit die Querschnittskontur des Gegenstandes ermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Detektorelemente aus einer lateralen positionsempfindlichen Photodiode mit lichtempfindlicher Fläche von 20 x 3 mm, integrierter Verstärkerelektronik, vorgelagerter Fokussierlinse und Schlitzblende. Solche eindimensional Photodioden (Position Sensing Detectors, PSD) erlauben die kontinuierliche Positionsbestimmung eines Lichtflecks entlang einer Achse.
Die optoelektronischen Messeinrichtungen können an einer Auswerte-Einheit mit Mikroprozssor angeschlossen sein, der ausgebildet ist, um aus der Zahl der vom bewegten Gegenstand reflektierten Lichtimpulse und Lage der detektierten Lichtimpulse auf den lichtempfindlichen Flächen der Detektorelemente pro Abtastzyklus die Querschnittskontur des Gegenstandes und aus der Messzeitsumme aller Abtastzyklen und der Bewegungsgeschwindigkeit des Gegenstandes dessen Länge zu ermitteln.
Bevorzugterweise sind Parabolreflektor, Drehspiegel, Halbleiterlaser, die zwei Detektorelemente und die Photodiode jeweils in einem dichten Gehäuse untergebracht, das in der dem Gegenstand zugewandten Seite einen von einem Glas abgedeckten Schlitz aufweist. Die optoelektronische Messeinrichtung ist dadurch gegen äussere Einflüsse und Fremdlicht geschützt.
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Eine besonders einfach justierbare und wartungsfreundliche Ausführung wird erreicht, wenn der Halbleiterlaser aus einer Einheit mit Laserdiode, Drei-Linsen-Kollimator und Treiberelektronik besteht, die komprimierte Lichtstrahlen mit einer Wellenlänge von etwa 650 oder 840 nm aussendet.
Durch den sichtbaren roten Laserstrahl mit 650 nm Wellenlänge, kann die Ausrichtung des Halbleiterlasers, Drehspiegels und der Detektorelemente auf einfachste Art visuell ohne zusätzliche Messgeräte vorgenommen werden. Bel einem Laserstrahl mit 840 nm Wellenlänge ist eine bessere Filterung gegen Fremdlicht realisierbar.
Im folgenden wird an Hand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 den Aufriss einer erfindungsgemässen Einrichtung, Fig. 2 die Schnittdarstellung der Einrichtung gemäss der Linie E-E in Fig. 1 und Fig. 3 die Schnittdarstellung eines Detektorelementes in vergrössertem Massstab.
In Fig. 1 ist schematisch ein Kettenförderer 2 gezeichnet, auf welchem Holzstämme 1 in ihrer Längsrichtung transportiert werden. Um die periodische Strahlabtastung des Holzstammes 1 in der Messebene 7 nicht zu behindern, sind in den Führungswinkel 3, 3' des Kettenförderers 2 Spalte vorgesehen.
Zur Erfassung der Masse und Querschnittskonturen ist ein aus den senkrechten Stehern 4, 4' und Querbalken 5 bestehendes Messtor vorhanden, durch welches der Holzstamm 1 fährt. Steher 4, 4' und Querbalken 5 bestehen aus Metallprofilen und sind fest miteinander verbunden. Das Messtor ist senkrecht zu seiner Grundfläche aufgestellt und stabil verankert.
Mit den senkrechten Stehern 4, 4' sind zwei zueinander spiegelbildlich angeordnete optoelektronische Messeinrichtungen 10, 10' fest verbunden, die seitlich die Messebene 7 begrenzen und eine periodische Parallelstrahlabtastung des Holzstammes 1 von zwei Seiten her, quer zur Bewegungsrichtung des Holzstammes 1 ermöglichen.
Dazu bestehen die optoelektronischen Messeinrichtungen 10, 10' aus je einem dichten Gehäuse 21, 21', das in der dem Holzstamm 1 zugewandten Seite 22, 22' einen von einem Glas abgedeckten Längsschlitz 23 (Fig. 2) aufweist.
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Drehspiegel 12, 12',Halbleiterlaser 13, 13', eine Photodiode 18, 18', und zwei Detektorelemente 14, 15 ; 14'15' untergebracht. Zur Verdeutlichung sind die Gehäuse 21, 21' im Schnitt dargestellt.
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Die beiden Detektorelemente 14, 15 ; 14'15'sind jeweils neben den Enden des Parabolreflektors 11, 11' angeordnet, wobei ihre optischen Achsen dem Holzstamm 1 zugewandt sind. Die auf den Drehspiegel12, 12'ausgerichteten Photodioden18, 18'sind jeweils am unteren Ende der Parabolreflektoren 11, 11' befestigt. Beide optoelektronischen Messeinrichtungen 10, 10' sind an eine in Fig. 1 nicht dargestellte Auswerte-Einheit mit Mikroprozessor angeschlossen.
Aus der in Fig. 2 gezeichneten Schnittdarstellung ist der im Brennpunkt des schmalen Parabolreflektors 11 stosssicher aufgehängte, elektrisch angetriebene Drehspiegel 12 ersichtlich, welcher einmal einjustiert mit dem Halbleiterlaser 13 und dem Parabolreflektor 11 eine unveränderliche optische Einheit bildet. Das in Fig. 2 sichtbare Detektorelement 15 ist neben dem oberen Ende (Fig. 1) des Parabolreflektors 11 angeordnet und besteht aus einer lateralen positionsempfindlichen Photodiode (PSD) mit lichtempfindlicher Fläche 16 von etwa 20 x 3 mm, integrierter Verstärkerelektronik, vorgelagerter Fokussierlinse 17 und Schlitzblende 19 wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist.
Die optischen Achsen aller Detektorelemente 14, 15 ; 14'15' liegen in der Messebene 7, ebenso deren lichtempfindliche Flächen 16, die zum Empfang der vom Holzstamm 1 reflektierten Lichtimpulse diesem zugewandt sind. Der Holzstamm 1 wird von Kettenförderer 2, 3, 3' in Richtung des Pfeiles B in seiner Längsrichtung bewegt.
Der Halbleiterlaser 13 besteht aus einer Einheit mit Laserdiode, Drei-Linsen-Kollimator
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oder 840 nm aussendet.
Damit zwischen Umdrehung der Drehspiegel12, 12'in Richtung der Pfeile (Fig. 1) und der Pulsfrequenz der Halbleiterlasr 13, 13' eine feste Beziehung besteht, ist eine Regelelektronik vorgesehen. Diese sorgt auch dafür, dass eine gegenseitige Beeinflussung der beiden optoelektronischen Messeinrichtungen 10, 10' vermieden ist.
Es können auch ungepulste Halbleiterlaser 13, 13' zum Einatz gelangen und die Detektorelemente 14, 15 ; 14'15' dann entsprechend der Pulsfrequenz getaktet sein. Tritt ein Lichtstrahl auf der Photodiode 18, 18' auf, bewirkt dessen Signal den Start eines Oszillators, der entweder den Halbleiterlaser 13, 13' pulst oder die Detektorelemente 14, 15 ; 14'15' taktet.
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Der Oszillator liefert beispielsweise eine Impulsmenge von 500 pro Abtastzyklus. Vom Halbleiterlaser 13, 13' ausgesendete Lichtimpulse gelangen somit über den DrehspiegeI12, 12' in 500 festen Winkelschritten auf den Parabolreflektor 11, 11' und werden von diesem reflektiert, so dass sie in der Messebene 7 waagrecht verlaufen.
Einige Lichtstrahlengänge sind in den Fig. 1 und 2 durch dünne Linien mit Pfeilen dargestellt. Auf der Oberfläche des Holzstammes 1 auftreffende Lichtimpulse bilden entlang der Querschnittskontur des Holzstammes 1 eine Kette von Lichtpunkten pro Abtastzyklus.
Jeder Lichtpunkt wird von wenigstens einem Detektorelement 14,15;14'15' erfasst. In den Detektorelementen 14, 15 ; 14'15'werden die erfassten Lichtpunkte von der Fokussierlinse 17 auf die, im wesentlichen aus einem linearen Siliziumelement bestehende lichtempfindliche Fläche 16 projeziert, welche den empfangenen Lichtimpuls mit hoher Präzision in Spannungen umwandelt und aus dessen Lage den Winkel a (Fig. 1) zwischen Lichteinfallsrichtung und Bezugslinie 6 bzw. 8 (Fig. 1) messen kann.
Als Detektorelemente 14, 15 ; 14'15' sind auch Zeilenkameras mit einer Zeile strahlungsempfindlicher Elemente und einer auf diese Zeile ausgerichteten Schlitzblende geeignet.
Durch die feste Beziehung der Umdrehung der Drehspiegel 12, 12' zur Pulsfrequenz der Halbleiterlaser 13, 13' oder Taktfrequenz der Detektorelemente 14, 15 ; 14'15', ist der senkrechte Abstand jedes waagrechten Lichtimpulse oder Lichtstrahles zur Bezugslinie 6 oder 7 definiert.
Aus dem Tangens der von den Detektorelementen 14, 15 ; 14'15'gemessenen Winkel a sind die waagrechten Abstände der erfassten Lichtpunkte am Holzstamm 1 zur Fokussierlinse 17 errechenbar. Somit ergibt sich einerseits durch den Lichtstrahlvorschub, anderseits den dazu erfassten Winkel a jeweils ein Querschnittskonturpunkt, der durch den senkrechten und errechneten waagrechten Abstand definiert ist.
Verbindet man nun die Punkteschar linear, so entsteht pro Abtastzyklus eine Querschnittskontur des Holzstammes 1 mit ausreichender Genauigkeit. Durch den Holzstammvorschub mittels des Kettenförderers 2, 3, 3' in Stammlängsrichtung bei gleichzeitiger, zeilenförmiger Abtastung (Scannung) ist der Holzstamm 1 dreidimensional, inklusive Krümmung, Ovalität, Durchmesser, Konizität etc., darstellbar.
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Durch die Geometrie der Einrichtung, fester Abstand der Detektorelemente 14, 15 ; 14'15' zueinander, Länge der Parabolreflektoren 11, 11' und Puls- oder Taktfrequenz, kann die Auswerte-Einheit aus der Zahl und Lage der detektierten Lichtpunkte pro Abtastzyklus die Querschnittskontur des Holzstammes 1 ermitteln.
Aus der Messzeit, dh. Zeit zwischen dem Auftreffen des ersten Lichtimpulse der ersten Abtastung und letzten Lichtimpulse der letzten Abtastung auf dem Holzstamm 1 und der Bewegungsgeschwindigkeit des Kettenförderers 2, 3, 3', ist in der Auswerte-Einheit die Holzstammlänge errechenbar.
Die Genauigkeit der Längenbestimmung ergibt sich aus dem Weg, den der Holzstamm 1 zwischen zwei Abtastzyklen zurücklegt.
Eine Überwachung der Aufnahme der Geschwindigkeit des Kettenförderers 2, 3, 3' kann auf einfache Art über einen gekoppelten Impulsgeber erfolgen.
Die Auswerte-Einheit mit Mikroprozessor, Zeit- und Speichereinheit ist so ausgerüstet bzw. programmiert, dass die erforderlichen Rechenvorgänge aus den gespeicherten Signalen ausgeführt, gemeldet und/oder graphisch dargestellt werden können, sowie der weitere Anschluss von Störungsmeldungen oder aber auch übergeordneter Rechner möglich wird.
Die optoelektronische Messeinrichtung 10, 10' wird bevorzugterweise für einen Scannerbereich von einem Meter hergestellt. Zur Erweiterung des Messbereiches können mehrere Messeinrichtungen 10,10' hintereinander versetzt am Messtor 4, 4' angeordnet sein.
Auch eine Einrichtung mit drei optoelektronischen Messeinrichtungen 10, 10', die zueinander jeweils um einen Winkel von 1200 versetzt am Messtor angeordnet sind, ist möglich.