水是一切生命活动的起源,但是随着人类社会的发展,水资源已经成为一种紧缺的资源。中国总的水资源虽然丰富,但巨大的用水量使得中国成为世界上最缺水的国家之一。仅农业用水就占据全国总用水量的2/3,但是农业用水率却普遍不高。因而对农业节约用水、土壤水分信息(尤其是土壤剖面水分)的有效获取以及土壤水分的空间立体分布研究就显得尤为重要,这对于农业生产中精准农业的实现更是具有重大意义。针对目前土壤水分传感器的单点测量以及成本较高的问题,本文基于触摸电容感应芯片MPR121设计了一款低成本土壤剖面水分检测传感器,实现土壤水分剖面多点测量。本论文以土壤水分为研究对象,基于土壤、水分以及空气的介电常数差异,探究了土壤水分与电容值之间的关系;明确了传感器圆环探头结构在不同土壤水分(介电常数)下性能与输出变化的规律;揭示了土壤水分可以通过电容值来表征的机理;建立了一套相对比较可靠的土壤剖面水分传感器及系统设计方案;最后将设计的系统进行现场试验,证明了方案的可行性。论文主要完成了以下四个方面的工作:1.基于土壤剖面水分多点检测的要求,在查阅大量文献资料的基础上针对国内外土壤水分检测技术的优缺点进行分类总结,运用触摸电容感应芯片MPR121的触摸电容检测机理,设计了一款基于土壤剖面检测的低成本传感器系统实现多点测量。并对触摸电容感应芯片MPR121的检测机理进行全面的分析,保证了实现土壤剖面检测的可行性。2.利用Ansoft公司Maxwell软件对传感器圆环探头进行探究分析。分别从探头直径、探头轴向长度以及轴间间距两个方面着手,研究传感器探头的灵敏程度和检测范围。最终确定传感器圆环探头轴向长度30mm,轴间间距1mm,直径为20mm。这为圆环探头的结构设计提供了科学的理论依据。3.通过标准的烘干法实验对自制的传感器进行标定校准。基于不同的土壤体积含水量的情况下对应不同的输出电容值,建立了传感器输出电容值与土壤水分含量之间的关系y=ln(0.9879+0.0012x),相关系数R~2为0.996,这表明传感器输出结果与土壤体积含水量之间的相关性较好。除此之外,还通过试验进一步对传感器的一致性、重复性、稳定性进行测试。一致性试验结果表明,传感器之间线性拟合度较高,相关系数在0.99以上,充分表明传感器一致性较高;重复性试验表明,传感器输出结果差别较小,最大误差为2.6%,这能较好的说明传感器具备重复性的能力;稳定性试验显示,传感器输出最大误差为4.1%,标准差为0.02899,在误差范围内表明传感器在土壤水分保持阶段具有良好的稳定性。接着将设计好的传感器与烘干法以及驻波率(SWR)型传感器进行性能对比,数据结果显示传感器与驻波率型传感器最大误差3.11%,与烘干法测量误差最大2.77%。这说明自制传感器的性能与驻波率型传感器和烘干法相近,表明其具有一定的可靠性。最后进行土壤剖面传感器多节点的初步测试,实验结果显示三节点的剖面传感器数据之间的最大误差为3.2%,这表明传感器各节点之间性能良好。4.为了进一步验证传感器性能,将传感器安装于黑龙江漠河进行了连续大半年的现场试验实现土壤水分测量。试验获取了大量的数据并在此基础上对土壤含水量的时间和空间变化进行特征分析。