視覺傳感器自清潔背后的超聲波清洗ULC技術

電子發燒友網報道（文/李寧遠）通過高頻振動來對物品進行清潔，這種技術想必大家都有所耳聞。超聲波清潔ULC技術通過對高頻振動實現精確控制，可以對很多物品表面進行清潔。這種超聲波清潔ULC器件可以在攝像頭等常見的機器視覺固態傳感器中，實現自動檢測和清潔，大大增強機器視覺系統的可靠性。

什么是超聲波清潔？

每一種材料都有其固有頻率，具體的固有頻率由其分子結構和幾何形狀決定，這是物體在施加能量后振動的獨特頻率。以固有頻率反復向材料施加能量，會產生共振，超聲波清潔ULC技術就是在這些材料的固有頻率下施加超聲波振動從而引起共振。

基礎的物理知識我們很早就學過，共振是可以對材料本身產生很明顯作用的，不過在達到材料的破碎臨界點前，人眼是很難捕捉到這種振動的。超聲波清潔ULC技術使用壓電換能器和先進的半導體，以特殊模式精確地向材料施加超聲波振動，可以有效地將材料表面上的異物去除掉。

這一技術可以應用于任何帶有攝像頭的場景，解決傳感器的清洗問題，尤其是汽車行業，隨著車用傳感器、攝像頭數量的不斷增加，如何清潔這些傳感器成了一個影響傳感性能的重要難題。最傳統的辦法當然是人工清潔，復雜、高成本、耗費時間這些弊端顯而易見。后來也出現了使用微型雨刮器、噴水器、壓縮空氣等辦法的攝像頭清洗方案，但這種方案會使得機械復雜度大大提高，并且成本相當高，并不是一種經濟實用的方案。

超聲波清潔ULC通過共振并利用相長干涉的概念，將從微小振動產生的能量放大為更強的能量，來融化冰、吹走水甚至還能對雨水施加大于表面張力的力將其霧化。這種辦法能很方便地將鏡頭上的污染物移出FoV外，同時成本也不會太高。

利用ULC實現傳感器自清洗

鏡頭尺寸和材料的選擇多種多樣，實現ULC的方法也很多。整個方案分為使用鏡頭蓋系統和不使用鏡頭蓋系統。ULC技術的專用芯片組包括兩部分，控制器和壓電換能器。ULC中所需的超聲波振動由壓電換能器產生，原理為壓電效應，極化壓電材料的電鍍表面存在電壓會使其形狀發生變化，進而產生超聲波振動。處理器TI是用片上低延遲的DSP來做的，配置了ULC專有算法。

在清洗中產生共振有多種方法，單模、雙模以及SAW，三種路線因為技術特性能實現的清潔效果不盡相同。單模是一種很簡單地產生共振的方法，通過在材料表面產生很高的加速度去除鏡頭上的異物。不過單模清洗的加速度梯度并不理想，在加速度較小的位置上，能實現的清潔效果很差，甚至無法將異物移出傳感器FoV外。雙模則是在同一周期內采用兩個不同的單模，互相覆蓋加速度梯度較差的點，消除了單模清潔時的盲點。

SAW完全不同于上述兩種方法，SAW是直接作用于異物，這也意味著它需要的頻率要高出不少，是一種高成本的辦法。在小尺寸的鏡頭清潔中，通常不會采用這種辦法，但在尺寸更大的應用上，這是一種清潔效果更好的共振方案。

ULC專用芯片組

ULC技術的專用芯片組的兩部分控制器和壓電換能器構成了超聲波清洗IC，處理器部分配置嵌入式算法，用于鏡頭系統校準、自動材料檢測、功率調節并診斷壓電換能器、鏡頭的故障?？?a target="_blank">編程的清潔模式也集成在其中適配不同的異物清潔過程?？刂破鞑糠值囊粋€硬性指標是需要足夠寬的驅動頻率范圍，進行高效的直接驅動或者AD調制。封裝上當然是盡可能更緊湊一些最好。
壓電換能器需要配套放大器，能越簡單地實現放大功能越好。TI配套ULC1001使用的壓電換能器DRV2901僅需一個簡單的無源LC解調濾波器就能夠提供高質量、高效的放大功能。

換能器需要具備完備的保護系統，這些保護不僅是常見的短路保護、過流保護和欠壓保護，還需要在片上盡可能限流，降低器件在高電平瞬態期間關斷的可能性。溫度同樣至關重要，壓電換能器過熱會去極化失去共振屬性。這種針對特定應用開發的器件，可以保持清潔系統的獨立，提升傳感器維護效率。

小結

選擇可靠的半導體器件能夠減小ULC清潔系統的尺寸并大大增加穩定性，超聲波清潔ULC系統中自動感應、溫度監測和故障檢測等功能的引入也將大大降低視覺傳感器的維護成本，提高機器視覺整體的可靠性。