#科技# 中国工程院发布我国电子信息科技“十六大挑战”

4月26日，中国工程院信息与电子学部、中国信息与电子工程科技发展战略研究中心在中国工程院发布“中国电子信息工程科技发展十六大技术挑战（2020）”（以下简称“挑战”）。

中国工程院副院长陈左宁院士表示，当前疫情正深刻改变全球政治经济和社会发展格局，信息科技作为关系国计民生的战略性、基础性、先导性行业，要走在前列，助力我国打造数字经济和信息治理“升级版”，特别要以数字基建为契机，聚焦发布的关键性、全局性、战略性问题和挑战，加强协同融合和统筹发展，推动我国信息科技更好发挥经济社会发展中引擎与纽带作用。　
　　5G天线智能制造生产线 何芯 摄影

据了解，中国工程院信息与电子工程学部自2014年起持续开展《中国电子信息工程科技发展研究》研究工作，并基于研究成果，每年上半年发布“中国电子信息工程科技发展最新挑战”，下半年发布“中国电子信息工程科技发展最新趋势”，旨在为我国科技人员把握电子信息工程领域的发展趋势提供参考，为我国制定电子信息工程科技发展战略提供支撑。

该项研究工作由中国工程院、中央网信办、工业和信息化部、中国电子科技集团联合成立的中国信息与电子工程科技发展战略研究中心承担。由余少华、陆军两位院士具体负责，有学部院士、各方面专家共300余人参加，在完成撰写《中国电子信息工程科技发展研究》综合篇、专题篇和多个专题分册的基础上，凝练出中国电子信息工程科技发展的最新挑战与趋势。

“挑战”分析了我国电子信息工程科技16个领域方向所面临的技术挑战，具体如下：

1.微电子光电子

摩尔定律不断逼近物理与工艺极限，新结构、新器件、新材料、新工艺和新封装是该领域补短板、加长板和可持续发展面临的重要挑战。当前围绕通信用激光的收、发、调制、放大等光子集成和光电集成芯片技术的微小型化、高速率、低成本、低功耗、多功能、光电融合与智能化是该领域补短板、加长板和可持续发展面临的重要挑战。

2.光学工程

自然界许多生物具有目前人工系统无法比拟的光学感知能力。围绕“仿生光学如何模拟这些生物的可调谐、宽光谱、宽视野、抗反射和隐身的视觉系统，以及将这些生物及其群体智能感知的机理和功能赋予人工智能系统，提高仿生光学在强背景干扰下的动态感知和处理能力”等是重要挑战。

3.感知

遥感技术正向着主动与被动相结合和小型化高重复周期观测的方向发展，结合图像信息的智能处理技术推进遥感信息的广泛应用；信息技术的快速发展正推动着数字化和智能化传感器研发。“具备自主采集、数据处理、传输和安全管理等能力的智能传感器”是该领域当前面临的重要挑战。

　　光电子器件测试现场 杨笛 摄影

4.测量计量与仪器

通过实施基于“常数”重新定义的国际单位制，中国计量体系正在经历从多层金字塔架构向扁平化的历史性变革，直接推动国家测量体系向数字化、网络化、智能化方向跨越，支撑中国科技、产业、健康和国防的持续高质量发展,特别是加快研制和生产服务生命安全和生物安全的计量标准和测量仪器，满足国家迫切急需，是该领域面临的重要挑战。

5.电磁空间

电磁频谱已成为信息时代、智能时代人类社会的主要活动空间和竞争资源之一，用户数量、类型和频次爆炸式增长。电磁空间探测感知，通信传输和管制控制等系统形态和技术体制渐现一体化趋势。实现智能全谱和多元一体的频谱感知、高频宽带高效的频谱利用、动态精细的用频管控以及系统设备的高集成、低成本，是该领域当前面临的重要挑战。

6.网络与通信

受可用频谱资源限制、关键光电器件指标等制约，移动通信和光纤通信容量提升趋缓。伴随网络流量的爆发式增长和天空海全覆盖的重大需求，技术代际跃升急需突破性的理论和技术。在人网物三元万物互联，以及网络与各行业深度融合所带来的网络极大复杂性、巨容量、大连接、广覆盖、高可靠、低能耗、低成本等压力和驱动下，网络架构、服务质量、用户体验、安全性和可靠性等是该领域当前面临的重要挑战。

7.网络安全

面对各国激烈角逐制网权的变局，“维护网络安全主权需创新主动、自适应的多层联动技术体系，构建以快打快、以智对智的积极防御屏障，突破‘御攻击于外’的网络边防关键技术，形成以我为主的威胁感知和攻击预判能力”是该领域当前面临的重要挑战。

8.水声工程

针对复杂多变的海洋环境开展水下网络化的声学观测，获取海洋水下声学环境规律及水下目标声学信息，以实时化的信息传输和大数据信息处理为手段，实现海洋水下信息自主掌控是该领域当前面临的重要挑战。

9.电磁场与电磁环境效应

随着5G、人工智能、物联网、大数据及其在高速通信、无人系统、工业互联网、先进能源、先进空天等领域的广泛应用，各类装备面临严峻的电磁安全问题。突破传统思维和方法束缚，建立电磁环境效应与防护新理论，发展新技术、新材料和新器件，提升我国信息电子及其应用的电磁环境适应性和电磁制衡能力是该领域当前面临的重要挑战。

10.控制

“在智能制造、无人驾驶、深空深海等不确定复杂动态环境下，如何采用自动化与人工智能相融合的理论、技术和系统，针对重大装备、自主运动体和流程工业过程等机理不清及难以建立数学模型的被控对象，实现自主智能控制、人机协同优化决策、决策与控制一体化”是该领域当前面临的重要挑战。

11.认知

脑认知与人工智能加速融合，在无人系统、类脑芯片、智能视觉等领域广泛应用。以脑认知机理为基础创新的人工智能技术是国际热点。“多尺度动态脑观测、针对记忆、情绪、视觉等认知功能的机理揭示和易泛化、鲁棒、低功耗的人工智能理论与模型的建立”是该领域当前面临的重要挑战。

12.计算机系统与软件

随着人工智能应用的快速发展，数据爆炸式增长和计算模型日趋复杂，人们对计算力的需求呈高速增长态势。面对后摩尔时代的物理制约，计算系统的体系结构、系统硬件、系统软件、应用软件等多个环节面临着高效能、高可靠、低能耗、敏捷设计、智能化及应用多样性等重要挑战。智能计算已经成为传统产业转型和新兴产业融合发展的基础使能技术。

13.计算机应用

随着人机融合、区块链、虚拟现实、数字孪生等为代表的计算机应用技术与各行各业融合程度的加深，支持各类工业设备、信息系统、业务流程、企业产品与服务、人员之间的互操作技术也愈加复杂。构建一个更高效、更适人、更智能的互操作技术体系是该领域当前面临的重要挑战。

14.工业软件系统

软件运行固有的离散性和工业系统运行固有的连续性之间的适配成为操作系统和中间件等工业基础软件的首要难题，高稳定性三维几何引擎、工程分析仿真求解器、电子设计自动化等工业核心软件，以及大型高可信嵌入式工业软件和新型工业互联网系统软件是该领域当前面临的重要挑战。

15.应对重大突发事件（属信息领域的部分）

“如何建立国家、省、市三级重大突发事件（比如新冠肺炎爆发等）信息化决策平台，集思广益，突破局限性，延伸到经济社会各领域；如何整合相关部门的数据资源，包括医疗卫生、公安、交通、建设、环保、教育、能源、民政、国企数据等，建设重大突发事件大数据平台；如何建立平战结合能支撑应急科研的计算环境和平台，用于新药、疫苗研发等”是应对重大突发事件、提升国家治理能力的重要挑战。

16.新基建

以5G、数据中心、工业互联网、物联网、人工智能等为代表的新型基础设施建设步伐加快，正在发挥战略性和先导性作用，支撑疫情期间及后期的经济社会高质量发展。随着建设速度的加快和规模不断扩大，新型基础设施在技术协同、大规模组网、应用模式创新、光电芯片和关键软件等核心技术支撑、网络安全、高可靠绿色化低成本、与各行业融合的垂直整合等是该领域当前面临的重要挑战。

科技日报记者 刘志伟

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一文带你入门传感器
　　传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息（例如：温度，血压，湿度，速度等），并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

　　常用的传感器

　　一、选择传感器的标准

　　选择传感器时，必须考虑某些功能。它们如下所示：

　　1.准确性

　　2.环境条件–通常对温度/湿度有限制

　　3.范围–传感器的测量极限

　　4.校准–对于大多数测量设备来说必不可少，因为读数会随时间变化

　　5.分辨率–传感器检测到的最小增量

　　6.费用

　　7.重复性–在相同环境下重复测量变化的读数

　　二、传感器分类

　　传感器可按以下标准进行分类：

　　1.主要输入量（被测量者）

　　2.转导原理（利用物理和化学作用）

　　3.材料与技术

　　4.性能

　　5.应用

　　转导原理是有效方法所遵循的基本标准。通常，材料和技术标准由开发工程小组选择。

　　基于属性的分类如下：

　　·温度–热敏电阻，热电偶，RTD，IC等。

　　·压力–光纤，真空，弹性液体压力计，LVDT，电子。

　　·流量–电磁，压差，位置位移，热质量等

　　·液位传感器–压差，超声波频率，雷达，热位移等

　　·接近和位移-LVDT，光电，电容，磁性，超声波。

　　·生物传感器–共振镜，电化学，表面等离子体共振，光可寻址电位。

　　·图像–电荷耦合器件，CMOS

　　·气体和化学物质-半导体，红外，电导，电化学。

　　·加速度–陀螺仪，加速度计。

　　·其他–湿度，湿度传感器，速度传感器，质量，倾斜传感器，力，粘度。

　　来自生物传感器组的表面等离子体共振和光可寻址电位是基于光学技术的新型传感器。与电荷耦合器件相比，CMOS图像传感器的分辨率较低。CMOS具有体积小，价格便宜，功耗低的优点，因此可以更好地替代电荷耦合器件。加速度计由于在未来的应用中（如飞机，汽车等）以及在视频游戏，玩具等领域中的重要作用而被独立分组。磁强计是那些测量磁通强度B（以Tesla或As/m2为单位）的传感器。

　　根据应用分类如下：

　　·工业过程控制，测量和自动化

　　·非工业用途–飞机，医疗产品，汽车，消费电子产品以及其他类型的传感器。

　　可以根据传感器的电源或能源需求对传感器进行分类：

　　·有源传感器–需要电源的传感器称为有源传感器。示例：LiDAR（光检测和测距），光电导电池。

　　·无源传感器–不需要电源的传感器称为无源传感器。例如：辐射计，胶片摄影。

　　在当前和将来的应用中，传感器可以分为以下几类：

　　·加速度计–基于微机电传感器技术。它们用于患者监测，包括起搏器和车辆动态系统。

　　·生物传感器–这些传感器基于电化学技术。它们用于食品测试，医疗设备，水测试和生物战剂检测。

　　·图像传感器–这些基于CMOS技术。它们用于消费电子，生物识别，交通和安全监控以及PC成像。

　　·运动检测器-这些检测器基于红外，超声波和微波/雷达技术。它们用于视频游戏和模拟，灯光激活和安全检测。

　　三、了解主要的传感器类型

　　一些常用的传感器及其原理和应用说明如下：

　　1.温度传感器

　　该设备从源收集有关温度的信息，并转换为其他设备或人可以理解的形式。温度传感器的最佳例证是玻璃温度计中的汞。玻璃中的汞根据温度的变化而膨胀和收缩。外部温度是温度测量的来源。观察者观察汞的位置以测量温度。温度传感器有两种基本类型：

　　接触式传感器–这种类型的传感器需要与被检测的物体或介质直接物理接触。它们可以在很宽的温度范围内监控固体，液体和气体的温度。

　　非接触式传感器–这种类型的传感器不需要与被检测的物体或介质发生任何物理接触。它们监控非反射性固体和液体，但由于具有自然透明性，因此不适用于气体。这些传感器使用普朗克定律测量温度。该法则处理从热源辐射的热量以测量温度。

　　不同类型的温度传感器的工作以及示例：

　　（i）热电偶–它们由两条线（每条线均使用不同的均质合金或金属）制成，并通过一端的连接形成测量结。该测量结对被测元件开放。导线的另一端端接到测量设备，在此形成参考结。由于两个结点的温度不同，电流流过电路。测量所得的毫伏电压以确定结点的温度。热电偶示意图如下所示。

显示热电偶温度传感器的图像

　　（ii）电阻温度检测器（RTD）–这些类型的热敏电阻被制造用来随着温度的变化而改变电阻。它们比任何其他温度检测设备都非常昂贵。电阻温度检测器的示意图如下所示。

　　（iii）热敏电阻–它们是另一种热敏电阻，其电阻的大变化与温度的小变化成比例。

　　2.红外传感器

　　该设备发射和/或检测红外辐射以感测环境中的特定相。通常，热辐射是由红外光谱中的所有对象发出的。所述红外线传感器检测到这种类型的辐射是不人眼可见的。

　　优点：

　　·易于接口

　　·市场上现货供应

　　缺点：

　　·受到周围噪声（例如辐射，环境光等）的干扰。

　　工作中：

　　基本思想是利用IR LED将红外波发送到对象。另一个相同类型的IR二极管将用于检测来自物体的反射波。该图如下所示。

　　当红外接收器受到红外光照射时，导线之间会产生电压差。几乎无法检测到产生的电压，因此使用运算放大器（Op-amps）来准确检测低压。

　　测量物体与接收器传感器的距离：红外传感器组件的电气特性可用于测量物体的距离。当IR接收器受到光线照射时，导线之间会产生电位差。

　　应用领域：

　　·热成像法–根据黑体辐射定律，可以使用热成像法查看有无可见照明的环境

　　·加热-红外线可用于烹饪和加热食物。它们可以从飞机机翼上带走冰块。它们在诸如印染，成型塑料和塑料焊接的工业领域中很流行。

　　·光谱学–该技术用于通过分析组成键来识别分子。该技术使用光辐射来研究有机化合物。

　　·气象–如果气象卫星配备了扫描辐射计，则可以计算云高，计算陆地和地表温度。

　　·光生物调节-用于癌症患者的化学疗法。这用于治疗抗疱疹病毒。

　　·气候学–监视大气与地球之间的能量交换。

　　·通信–红外激光为光纤通信提供光。这些辐射还用于手机和计算机外围设备之间的短距离通信。

　　3.紫外线传感器

　　这些传感器测量入射紫外线的强度或功率。这种形式的电磁辐射的波长长于X射线，但仍短于可见辐射。一种称为多晶金刚石的活性材料正用于可靠的紫外线感应。紫外线传感器可以发现环境对紫外线的照射。

　　选择紫外线传感器的标准：

　　·紫外线传感器可以检测的波长范围（纳米）。

　　·工作温度

　　·精度

　　·重量

　　·功率范围

　　工作中：

　　UV传感器接受一种类型的能量信号并传输不同类型的能量信号。

　　为了观察和记录这些输出信号，将它们定向到电表。要创建图形和报告，输出信号将被传输到模数转换器（ADC），然后传输到带有软件的计算机。

　　示例包括：

　　·紫外线光电管是对辐射敏感的传感器，可监控紫外线空气处理，紫外线水处理和太阳辐照度。

　　·光线传感器可测量入射光的强度。

　　·紫外线光谱传感器是科学摄影中使用的电荷耦合器件（CCD）。

　　·紫外线光探测器。

　　·杀菌紫外线探测器。

　　·光稳定性传感器。

　　应用领域：

　　·测量紫外线光谱中会灼伤人体皮肤的部分

　　·药房

　　·汽车

　　·机器人技术

　　·印刷业用于溶剂处理和染色工艺

　　·化学工业，用于生产，储存和运输化学药品

　　阅读有关紫外线传感器及其工作原理的更多信息。

　　4.触摸传感器

　　根据触摸的位置，触摸传感器充当可变电阻器。如下图所示。

该图显示了触摸传感器用作可变电阻器

　　触摸传感器由以下材料制成：

　　·完全导电的物质，例如铜

　　·绝缘间隔材料，例如泡沫或塑料

　　·部分导电材料

　　原理与工作：

　　部分导电的材料与电流相反。线性位置传感器的主要原理是，当电流必须通过的这种材料的长度更大时，电流的流动会更加相反。结果，通过改变材料与完全导电的材料接触的位置来改变材料的电阻。

　　通常，将软件连接到触摸传感器。在这种情况下，软件将提供内存。他们可以记住停用传感器时的“最后触摸位置”。一旦激活传感器，他们就可以记住“首次触摸位置”并了解与之相关的所有值。此操作类似于如何移动鼠标并将其定位在鼠标垫的另一端，以将光标移动到屏幕的另一端。

　　应用领域：

　　触摸传感器既经济又耐用，可用于许多应用，例如

　　·商业–医疗，自动售货，健身和游戏

　　·电器–烤箱，洗衣机/干衣机，洗碗机，冰箱

　　·运输-车辆制造商之间的驾驶舱制造和精简控制

　　·液位传感器

　　·工业自动化–位置和液位感应，自动化应用中的人为触摸控制

　　·消费电子产品–在各种消费产品中提供新的感觉和控制级别

　　5.接近传感器

　　接近传感器检测是否存在几乎没有任何接触点放置的物体。由于传感器和被测物体之间没有接触，并且缺少机械部件，因此这些传感器具有较长的使用寿命和较高的可靠性。不同类型的接近传感器包括电感式接近传感器，电容式接近传感器，超声波接近传感器，光电传感器，霍尔效应传感器等。

　　接近传感器会发射电磁场或静电场或电磁辐射束（例如红外线），并等待返回信号或磁场的变化。被检测到的物体称为接近传感器的目标。

　　电感式接近传感器–它们具有振荡器作为输入，通过导电介质的接近来改变损耗电阻。这些传感器是金属目标的首选。

　　电容接近传感器–它们转换检测电极和接地电极两侧的静电电容变化。这是通过以振荡频率的变化接近附近的物体而发生的。为了检测附近的物体，将振荡频率转换成直流电压，该直流电压与预定的阈值进行比较。这些传感器是塑料目标的首选。

　　应用领域：

　　·在自动化工程中用于定义过程工程工厂，生产系统和自动化工厂中的操作状态

　　·在窗口中使用，并在窗口打开时激活警报

　　·用于机器振动监控，以计算轴与支撑轴承之间的距离差

　　原理：

　　批准了不同的定义来区分传感器和传感器。传感器可以定义为一种以某种形式的能量进行感应以产生相同或另一种形式的能量变化的元素。换能器使用换能原理将被测量体转换为所需的输出。

　　根据获得和创建的信号，可以将原理分为以下几类：电气，机械，热，化学，辐射和磁。

　　让我们以超声波传感器为例。

　　超声波传感器用于检测物体的存在。它是通过从设备头发出超声波，然后从相关对象接收反射的超声波信号来实现的。这有助于检测物体的位置，存在和移动。

超声波传感器的图形解释原理

　　由于超声波传感器依靠声音而不是光进行检测，因此它被广泛用于测量水位，医学扫描程序以及汽车工业。超声波可以使用其反射传感器检测透明物体，例如透明薄膜，玻璃瓶，塑料瓶和平板玻璃。

　　超声波的运动因介质的形状和类型而异。例如，超声波在均匀的介质中笔直移动，并在不同介质之间的边界处反射和传输回去。空气中的人体会引起大量反射，因此很容易检测到。

　　理解以下内容可以最好地解释超声波的传播：

　　1.多重反射

　　当波在传感器和检测对象之间多次反射时，就会发生多次反射。

　　2.极限区域

　　可以调整最小感应距离和最大感应距离。这称为极限区域。

　　3.探测区

　　未检测区域是传感器头表面与由于检测距离调整而导致的最小检测距离之间的间隔。该图如下所示。

　　未检测区域是指靠近传感器的区域，由于传感器头的配置和混响，无法进行检测。由于传感器和物体之间的多次反射，可能会在不确定区域中进行检测。

　　应用领域：

　　传感器用于多种应用，例如：

　　·震动检测

　　·机器监控应用

　　·车辆动力学

　　·低功耗应用

　　·结构动力学

　　·医疗航空航天

　　·核仪器仪表

　　·作为手机“触摸键盘”中的压力传感器

　　·触摸底座时变亮或变暗的灯

　　·触摸电梯中的敏感按钮