土壤氢离子浓度(pH值)对土壤肥力和养分具有重要影响,在作物生长过程中对土壤pH值进行在线检测并给予精准调控,对降低栽培生产成本,增加产量,实现数字农业具有重要意义。本文针对土壤pH值在线检测受土壤水分影响,现有传感器无法满足土壤pH值在线检测要求,导致在线检测准确性差问题,综合国内外pH传感器研究现状,通过微观模拟和宏观试验相结合的方法,研究锑电极对土壤微溶液pH值电化学响应过程及机理,制备一种锑电极pH传感器,揭示土壤含水量对pH传感器的响应特性影响规律,构建含水量修正模型,提高pH值在线检测性能。主要研究内容如下:(1)锑电极传感器对土壤pH值检测理论分析。通过锑电极对土壤微溶液pH值电化学反应过程和响应理论分析得到:锑电极传感器输出电势模型,在25~oC下,锑电极理论能斯特响应为59.2mV/pH;电极制备工艺和检测溶液环境是影响锑电极传感器输出电势的主要因素。通过土壤多相混合性质、土壤水盐扩散规律和双电层理论分析可知,增加土壤含水量,增大了土壤扩散系数,提高了锑电极电化学响应的准确性。(2)土壤含水量对锑电极检测性能影响的分子模拟研究。基于分子动力学理论模拟水合氢离子在不同含水量的土壤介质中的扩散行为,结果表明:水合氢离子在土壤介质中的均方位移为各向同性,扩散系数随着土壤水分的增加而增大。基于第一性原理模拟分析水分子对锑电极电化学响应的影响,结果表明:水分子在锑表面不同位置的吸附效果不同,锑表面顶位吸附结构最为稳定;吸附过程中,水分子中氧原子与表层锑原子发生电荷交换,使锑表面电势降低,促进了锑电极电化学反应。(3)锑电极传感器制备及土壤微溶液pH值响应特性试验研究。基于磁控溅射法,制备一种分别以Sb和Ag/AgCl为敏感电极和参比电极的适用于土壤微溶液的全固态pH传感器。对锑电极SEM和EDS分析发现,锑电极表面呈现多孔结构,锑元素保持较高的比例,说明制备的锑电极薄膜质量良好。对pH传感器电化学响应性能试验,分析传感器在水溶液中响应特性得到:传感器灵敏度为57.58mV/pH,符合能斯特响应原理,响应时间小于15s,漂移效应为1.59mV/h,且具有良好的pH值响应稳定性和离子选择性;分析土壤含水量对pH传感器输出特性影响得到:随着含水量的增加,传感器的输出电势降低,基于二元回归分析法建立土壤含水量对电极pH值响应影响的补偿模型,并验证了补偿模型的有效性。(4)土壤pH值在线检测系统的搭建与应用试验。综合应用传感器技术和无线传输技术设计了土壤pH值在线检测系统,整体系统包括传感器采集模块、数据处理模块以及人机交互界面。对不同种类的土壤基质pH值在线检测应用试验,试验结果分析表明:系统对不同种类的土壤基质皆具有一定的适应性,经过含水量补偿模型修正后,pH值绝对误差在0.18~0.51之间,相对误差在2.2%~6.6%之间。研究结果为实现现代农业栽培生产pH值在线检测提供理论指导与技术基础。