实时、准确获取土壤剖面水分信息,及时了解土壤水分空间立体分布,这对研究作物需水规律、实现节水灌溉有着非常重要的意义,同时也是现代精细农业技术的重要基础。为实现土壤剖面多点(不同深度)水分的同时测量,本文基于高频电容原理研究设计了一种土壤剖面水分传感器。通过试验,研究分析了土壤理化特性变异对传感器输出的影响,建立了基于温度影响的土壤水分测量修正模型,并就传感器的使用性能进行了相关试验检验,结果表明本文所研究设计传感器用于土壤剖面不同深度的水分测量,水分梯度变化明显,性能良好,可应用于我国农业实际生产。　　 本文的研究工作主要包括以下几方面:　　 (1)从适于土壤剖面不同深度水分同时测量的特殊要求着手,总体设计了土壤水分传感器多传感器节点组合的剖面“竹”形结构,并基于高频电容原理建立了传感器的土壤水分测量理论模型;通过对比分析常用电容传感器的结构形式,确定了传感器节点的探头为圆环结构。在对圆环探头进行有限元分析的基础上,提出了探头微量化平面电容的概念,基于Maxwell软件仿真优化了探头结构,最终确定探头电极轴向长度与电极轴向间距之比b/a=2较为适宜,取电极轴向长度b=20mm,轴向间距a=10mm,电极外径25mm,内径23mm,并选用紫铜作为探头电极材质。　　 (2)通过传感器功能电路分析,基于MC1648P芯片,采用F/V转换的方式,设计了传感器节点硬件电路;采用STM32F103ZET6为内核,进行了传感器数据采集及处理模块硬件电路设计,并以KeilμVision4软件为开发平台,采用C语言编程,进行了传感器软件程序设计。结合土壤介电常数的频率特性和不同频段高频电场作用下传感器探头阻抗特性的研究分析,通过试验优选了适合本文所设计传感器的测量频率为115MHz。　　 (3)通过试验数据回归分析,建立了土壤剖面水分传感器水分测量静态标定数学模型:V=1.2269θv2-0.8832θv,+3.0989,R2=0.9744。通过试验对传感器的一致性、稳定性、重复性等相关性能进行了测试,结果表明:对于同一体积含水量的土壤,传感器节点彼此之间没有显著测量差异,输出电压显著相关;连续定点测量,传感器输出电压比较稳定,与标定输出相比无明显偏差,最大相对误差范围控制在-0.58%～0.60%;多次有取放的重复性测量,传感器亦无显著测量差异,相比标定输出亦无明显偏差,相对误差范围控制在-0.45%～0.50%。　　 (4)针对土壤理化特性变异造成传感器测量误差的问题,试验分析了土壤温度、电导率、容重等变异对传感器输出电压的影响,结果表明温度、电导率和容重三者当中温度变异对传感器的输出影响最大,电导率EC＞2ms/cm时需要对传感器进行重新标定。建立了基于温度变化的土壤水分测量修正模型:V=0.002T-0.30θv+2.993,对传感器的标定测量值进行了修正,修正后的输出值最大绝对误差为3.91%,最小绝对误差为0.02%,误差显著减小。通过传感器、EC-5和烘干法三者之间的土壤水分测量对比试验,结果表明传感器的使用性能良好,与EC-5显著性差异不大,与烘干法相比最大绝对误差为4.70%,可以满足土壤水分准确测量的要求。通过土壤剖面多点水分测量试验,结果表明传感器用于土壤剖面不同深度的水分测量,水分梯度变化明显,性能达到使用要求。