视觉传感器自清洁背后的超声波清洗ULC技术

电子发烧友网报道（文/李宁远）通过高频振动来对物品进行清洁，这种技术想必大家都有所耳闻。超声波清洁ULC技术通过对高频振动实现精确控制，可以对很多物品表面进行清洁。这种超声波清洁ULC器件可以在摄像头等常见的机器视觉固态传感器中，实现自动检测和清洁，大大增强机器视觉系统的可靠性。

什么是超声波清洁？

每一种材料都有其固有频率，具体的固有频率由其分子结构和几何形状决定，这是物体在施加能量后振动的独特频率。以固有频率反复向材料施加能量，会产生共振，超声波清洁ULC技术就是在这些材料的固有频率下施加超声波振动从而引起共振。

基础的物理知识我们很早就学过，共振是可以对材料本身产生很明显作用的，不过在达到材料的破碎临界点前，人眼是很难捕捉到这种振动的。超声波清洁ULC技术使用压电换能器和先进的半导体，以特殊模式精确地向材料施加超声波振动，可以有效地将材料表面上的异物去除掉。

这一技术可以应用于任何带有摄像头的场景，解决传感器的清洗问题，尤其是汽车行业，随着车用传感器、摄像头数量的不断增加，如何清洁这些传感器成了一个影响传感性能的重要难题。最传统的办法当然是人工清洁，复杂、高成本、耗费时间这些弊端显而易见。后来也出现了使用微型雨刮器、喷水器、压缩空气等办法的摄像头清洗方案，但这种方案会使得机械复杂度大大提高，并且成本相当高，并不是一种经济实用的方案。

超声波清洁ULC通过共振并利用相长干涉的概念，将从微小振动产生的能量放大为更强的能量，来融化冰、吹走水甚至还能对雨水施加大于表面张力的力将其雾化。这种办法能很方便地将镜头上的污染物移出FoV外，同时成本也不会太高。

利用ULC实现传感器自清洗

镜头尺寸和材料的选择多种多样，实现ULC的方法也很多。整个方案分为使用镜头盖系统和不使用镜头盖系统。ULC技术的专用芯片组包括两部分，控制器和压电换能器。ULC中所需的超声波振动由压电换能器产生，原理为压电效应，极化压电材料的电镀表面存在电压会使其形状发生变化，进而产生超声波振动。处理器TI是用片上低延迟的DSP来做的，配置了ULC专有算法。

在清洗中产生共振有多种方法，单模、双模以及SAW，三种路线因为技术特性能实现的清洁效果不尽相同。单模是一种很简单地产生共振的方法，通过在材料表面产生很高的加速度去除镜头上的异物。不过单模清洗的加速度梯度并不理想，在加速度较小的位置上，能实现的清洁效果很差，甚至无法将异物移出传感器FoV外。双模则是在同一周期内采用两个不同的单模，互相覆盖加速度梯度较差的点，消除了单模清洁时的盲点。

SAW完全不同于上述两种方法，SAW是直接作用于异物，这也意味着它需要的频率要高出不少，是一种高成本的办法。在小尺寸的镜头清洁中，通常不会采用这种办法，但在尺寸更大的应用上，这是一种清洁效果更好的共振方案。

ULC专用芯片组

ULC技术的专用芯片组的两部分控制器和压电换能器构成了超声波清洗IC，处理器部分配置嵌入式算法，用于镜头系统校准、自动材料检测、功率调节并诊断压电换能器、镜头的故障。可编程的清洁模式也集成在其中适配不同的异物清洁过程。控制器部分的一个硬性指标是需要足够宽的驱动频率范围，进行高效的直接驱动或者AD调制。封装上当然是尽可能更紧凑一些最好。
压电换能器需要配套放大器，能越简单地实现放大功能越好。TI配套ULC1001使用的压电换能器DRV2901仅需一个简单的无源LC解调滤波器就能够提供高质量、高效的放大功能。

换能器需要具备完备的保护系统，这些保护不仅是常见的短路保护、过流保护和欠压保护，还需要在片上尽可能限流，降低器件在高电平瞬态期间关断的可能性。温度同样至关重要，压电换能器过热会去极化失去共振属性。这种针对特定应用开发的器件，可以保持清洁系统的独立，提升传感器维护效率。

小结

选择可靠的半导体器件能够减小ULC清洁系统的尺寸并大大增加稳定性，超声波清洁ULC系统中自动感应、温度监测和故障检测等功能的引入也将大大降低视觉传感器的维护成本，提高机器视觉整体的可靠性。