視覺傳感器自清潔背后的超聲波清洗ULC技術(shù)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）通過高頻振動(dòng)來對(duì)物品進(jìn)行清潔，這種技術(shù)想必大家都有所耳聞。超聲波清潔ULC技術(shù)通過對(duì)高頻振動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確控制，可以對(duì)很多物品表面進(jìn)行清潔。這種超聲波清潔ULC器件可以在攝像頭等常見的機(jī)器視覺固態(tài)傳感器中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和清潔，大大增強(qiáng)機(jī)器視覺系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和幾何形狀決定，這是物體在施加能量后振動(dòng)的獨(dú)特頻率。以固有頻率反復(fù)向材料施加能量，會(huì)產(chǎn)生共振，超聲波清潔ULC技術(shù)就是在這些材料的固有頻率下施加超聲波振動(dòng)從而引起共振。

基礎(chǔ)的物理知識(shí)我們很早就學(xué)過，共振是可以對(duì)材料本身產(chǎn)生很明顯作用的，不過在達(dá)到材料的破碎臨界點(diǎn)前，人眼是很難捕捉到這種振動(dòng)的。超聲波清潔ULC技術(shù)使用壓電換能器和先進(jìn)的半導(dǎo)體，以特殊模式精確地向材料施加超聲波振動(dòng)，可以有效地將材料表面上的異物去除掉。

這一技術(shù)可以應(yīng)用于任何帶有攝像頭的場(chǎng)景，解決傳感器的清洗問題，尤其是汽車行業(yè)，隨著車用傳感器、攝像頭數(shù)量的不斷增加，如何清潔這些傳感器成了一個(gè)影響傳感性能的重要難題。最傳統(tǒng)的辦法當(dāng)然是人工清潔，復(fù)雜、高成本、耗費(fèi)時(shí)間這些弊端顯而易見。后來也出現(xiàn)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(huì)使得機(jī)械復(fù)雜度大大提高，并且成本相當(dāng)高，并不是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案。

超聲波清潔ULC通過共振并利用相長(zhǎng)干涉的概念，將從微小振動(dòng)產(chǎn)生的能量放大為更強(qiáng)的能量，來融化冰、吹走水甚至還能對(duì)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(shí)成本也不會(huì)太高。

利用ULC實(shí)現(xiàn)傳感器自清洗

鏡頭尺寸和材料的選擇多種多樣，實(shí)現(xiàn)ULC的方法也很多。整個(gè)方案分為使用鏡頭蓋系統(tǒng)和不使用鏡頭蓋系統(tǒng)。ULC技術(shù)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(dòng)由壓電換能器產(chǎn)生，原理為壓電效應(yīng)，極化壓電材料的電鍍表面存在電壓會(huì)使其形狀發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。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(chǎn)生共振有多種方法，單模、雙模以及SAW，三種路線因?yàn)榧夹g(shù)特性能實(shí)現(xiàn)的清潔效果不盡相同。單模是一種很簡(jiǎn)單地產(chǎn)生共振的方法，通過在材料表面產(chǎn)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(shí)現(xiàn)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(nèi)采用兩個(gè)不同的單模，互相覆蓋加速度梯度較差的點(diǎn)，消除了單模清潔時(shí)的盲點(diǎn)。

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(huì)采用這種辦法，但在尺寸更大的應(yīng)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(shù)的專用芯片組的兩部分控制器和壓電換能器構(gòu)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(tǒng)校準(zhǔn)、自動(dòng)材料檢測(cè)、功率調(diào)節(jié)并診斷壓電換能器、鏡頭的故障。可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€(gè)硬性指標(biāo)是需要足夠?qū)挼尿?qū)動(dòng)頻率范圍，進(jìn)行高效的直接驅(qū)動(dòng)或者AD調(diào)制。封裝上當(dāng)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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)放大功能越好。TI配套ULC1001使用的壓電換能器DRV2901僅需一個(gè)簡(jiǎn)單的無源LC解調(diào)濾波器就能夠提供高質(zhì)量、高效的放大功能。

換能器需要具備完備的保護(hù)系統(tǒng)，這些保護(hù)不僅是常見的短路保護(hù)、過流保護(hù)和欠壓保護(hù)，還需要在片上盡可能限流，降低器件在高電平瞬態(tài)期間關(guān)斷的可能性。溫度同樣至關(guān)重要，壓電換能器過熱會(huì)去極化失去共振屬性。這種針對(duì)特定應(yīng)用開發(fā)的器件，可以保持清潔系統(tǒng)的獨(dú)立，提升傳感器維護(hù)效率。

小結(jié)

選擇可靠的半導(dǎo)體器件能夠減小ULC清潔系統(tǒng)的尺寸并大大增加穩(wěn)定性，超聲波清潔ULC系統(tǒng)中自動(dòng)感應(yīng)、溫度監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)等功能的引入也將大大降低視覺傳感器的維護(hù)成本，提高機(jī)器視覺整體的可靠性。