月球表面的温度和热物性参数是月表热环境的两个主要内容,是研究月球内部热演化模型的基本边界条件,也是解译微波探测数据的必要参数。从科学意义上讲,获取真实可靠的月面热物性参数,可以使我国掌握比较精确、可靠、完整的月面热环境特性数据,填补我国在月面热环境特性知识方面的空白,为建立月球基地和进一步开发研究奠定必需的热环境认识基础;从工程应用角度看,以简单而粗略的热环境参数为依据的热控设计将难以满足探测器月面活动的需要,必须进一步获取详细、准确的月面热物性数据。月壤硬度是指月面探测机械的动静载荷传递于土壤上,土壤对这些外荷力所发挥的抵抗力。因此测量这种土壤性质对月面探测,甚至将来的基地建设都是必不可少的理论依据。本文首先研究了地面土壤硬度测量原理,且最终选用比较有代表性的圆锥指数,作为衡量模拟月壤硬度的参数,并指导模拟月壤硬度传感器的设计;同时,研究了土壤热特性测量原理,且选择了比较适合用于粉末状材料热特性测量的热探针原理,用于指导模拟月壤热特性测量传感器的设计。然后,在以上测量理论的指导下,进行硬度传感器和热特性测量传感器的前端结构研究和设计、嵌入式软硬件系统的设计。硬度探头的设计,包括弹性体的设计和应变片的选择、粘贴与防护;热特性传感器的前端设计——热探针,包括加热器设计、探针护套设计和温度测量元件选择;嵌入式系统,主要包括数据采集电路、主控电路和基于μC/OS-Ⅱ的多任务管理系统。其次,改进常用的数字滤波算法,设计了动态限幅均值滤波的数字滤波器,以适用于本文的温度数据和硬度数据,并用Matlab仿真验证了该滤波器可行性;然后通过采集到的应变片输出数据转化得到硬度数据,改进用于热特性反演粒子群优化算法以提高算法的效率和适用性,并仿真验证其可行性。最后,对设计好的传感器软硬件模块进行了单独校正和整体标定,并通过实验给出了模拟月壤的硬度传感器测量数据和热特性反演结果。