土壤水分检测对农业精准灌溉,实现智慧农业具有重要意义,开展低成本高精度土壤水分传感器的研制,是目前现代智慧农业发展中一个迫切需要解决的瓶颈问题。土壤水分传感技术众多,随着高质量低成本高频振荡器的出现,电容式传感器由于具有电容探头相对便宜,可以有不同几何形状适应不同应用场合的需要,易于实现在线快速自动检测等特点,已经成为国内外学者研究关注的重点。但电容传感器仍存在检测探头结构不合理、信号处理不完善,易受土壤类型、电导率等影响,导致对检测对象适用性差、检测精度低等问题。本文针对以上问题,对国内外土壤水分传感器研究现状进行分析,改进电容传感器探头结构,基于电容传感器对土壤水分敏感响应机理,提出了基于RC串联稳态响应的土壤水分电容传感器幅值检测法,研究并制备了一种低成本电容传感器,提出了其新两步标定法,构建土壤水分、介电常数、传感器输出三者之间关系模型,给出基于电导率补偿的修正模型,开发了集土壤水分传感器、采集记录仪及PC终端的土壤水分检测应用系统。主要研究内容及结论如下:（1）土壤水分电容传感器及检测电路研究:对同平面电容式传感器探头结构进行改进,在两极板间不开槽,既保证探头良好绝缘性,又增强探头强度,避免插入土壤由于开槽空隙影响检测可靠性;基于单平面散射场电容值理论计算,利用ANSYS对电容传感器探头电场二维仿真,得到极板尺寸与探头灵敏度和灵敏深度关系,确定极板宽度与间距最适宜的尺寸均为6mm;在传统一阶RC串联电路中,通过增加慢充快放电回路,提高了电容传感器灵敏度与抗电导率性能。（2）土壤水分电容传感器制备与性能试验:首先采用PCB四层制板技术,制备了传感器实物,设计了传感器信号处理与采集电路,并对其性能进行测试。结果表明:传感器动态响应时间在540ms内,建议传感器应用切换时间在600ms以上;增加了稳压电路后,传感器输出能够不受供电电压影响,传感器自身最大工作电流仅为4mA;通过对敏感区域试验,确定传感器在椭圆圆柱体长轴、短轴、高三个方向敏感尺寸分别为3.8 cm、2.5 cm、7.2cm,传感器的敏感土壤体积约为214.78cm~3;传感器输出具有良好一致性,最大单点重复误差为1.0mV,最大互换性误差为1.5mV,同类型传感器之间不存在显著差异,为传感器使用同一标定模型提供了依据;传感器激励工作频率133MHz,与激励工作频率100MHz、80MHz对比,抗电导率性能最优,另外通过增加快放电回路,传感器受电导率影响明显降低。（3）土壤水分电容传感器输出标定与补偿研究:首先,基于现有两步标定法精度低问题,提出新两步标定方法。第一步在标准溶液中进行,得到传感器输出与介电常数的指数关系模型,R~2为0.983、RMSE为0.039mV;第二步,通过配制土样,建立土壤水分（体积含水量VWC）与土壤介电常数的三阶多项式关系模型,R~2为0.996。重新配制土样进行标定模型检测验证试验,得到土壤VWC最大检测误差为-1.4%m~3·m-3,RMSE为0.010m~3·m-3,与应用通用标定模型相比,土壤水分检测精度得到明显提高。然后,分析了温度、电导率两个因素对土壤水分传感器输出的影响:通过对温度特性测试试验得到,0～50℃范围内,传感器在空气中输出电压最大温漂误差为8.2mV,土壤VWC最大温漂误差为0.007%m~3·m-3,温度对传感器自身影响是低的;通过对电导率特性测试试验得到,标准溶液电导率0～1.95dS/m范围内,电导率引起土壤VWC最大检测误差≤4.3%m~3·m-3。最后,采用二元回归模型对传感器进行电导率补偿,建立具有电导补偿的最终标定方程,补偿后的传感器土壤VWC最大检测误差进一步降低至0.53%m~3·m-3,新补偿效果显著。（4）土壤水分检测应用系统设计与应用试验:首先,在传感器信号处理采集电路设计基础上,设计了便携式土壤水分采集记录仪,并基于无线传输技术设计搭建了土壤水分检测应用系统,通过下位机采集记录仪按键控制,实现参数检测等功能;PC终端上位机与下位机采集记录仪通过无线通信,将数据由采集记录仪传输至PC终端,实现PC终端上位机土壤水分与温度的实时显示、报警与查询等功能。然后,进行土壤实测应用试验,得到传感器在电导率0～1.98dS/m的黄土样本中,土壤VWC最大检测误差绝对值为0.89%m~3·m-3,检测精度能够满足工程应用要求。