土壤水分是地表和大气之间水与能量交换的一个重要环节,也是农作物培育中的一大要素。随着信息技术的发展,现代农业正在从传统灌溉模式向精细灌溉不断过渡,而精细灌溉的实现离不开优良的土壤水分观测技术。多深度的土壤墒情监测,能够为农作物根系生长环境观测提供数据支持,对科学精准灌溉、旱涝灾害防护预警等具有重要的研究意义和广泛的应用价值。本文在深入分析几种常见土壤介电常数获取方法的基础上,采用频域反射技术,设计了新型圆环电极探头,实现了一种非接触式多深度土壤剖面水分测量系统。通过搭建试验室标定环境,对传感器的各项性能进行试验验证与分析。本文主要的研究和工作内容如下:（1）深入分析土壤水分的类型和土壤含水率不同的表示方式与计算方法,并对土壤的物理特性、土壤介电模型理论进行了研究。（2）对比了几种常见的土壤介电常数获取方法,包括时域反射法（Time Domain Reflectometry）、时域传输法（Time Domain Transmission）、驻波比法（Standing Wave Ratio）等。分析这些测量方法的测量原理,对其优势与不足进行讨论,在此基础上选择了更贴合田间环境测量需求的频域反射测量技术（Frequency Domain Reflection）。（3）分析了基于频域反射技术的土壤水分传感器测量原理,建立了相应的数学模型,设计了一款圆环电极结构的非接触式土壤水分传感器,用于田间环境下的多深度定点测量。在ANSYS Maxwell中建立了传感器探头的三维模型,通过改变传感器探头外部物质的介电常数来模拟不同含水量时的土壤环境,并设定相应的边界条件等并带入求解器。计算得到传感器敏感元件的电场分布、容值变化和传感器灵敏度,系统分析了传感器探头尺寸变元过程对测量性能的影响,进行传感器探头部分尺寸变元的设计,得出探头尺寸的最佳设计方案。（4）设计并搭建了传感器硬件电路,完成了对采集电路输出频率和温度的测量功能,包括传感器采集电路与传感器控制电路两大部分。水分信号采集电路是准确测量土壤含水率的关键,通过铜环电极外接电感并联压控振荡器形成谐振回路,将含水量信号转化成电路中的频率信号,经过一系列的分频、整形电路等将模拟信号转化为单片机可识别的信号。传感器控制部分选择STM32F411单片机,完成电源输出控制、信号频率测量、温度测量和数据输出。（5）在完成硬件电路的基础上基于Keil平台进行嵌入式程序设计,包括频率与温度测量模块以及控制模块的程序设计等。同时,利用图形化编程语言设计了上位机显示界面,实现了传感器测量数据的结果显示与保存。（6）搭建实验环境,使用了江苏无锡的沙壤土对本土壤水分测量系统的两个传感节点进行试验分析。依据国际标准烘干法制备不同土壤含水率的土壤样本,进行水分传感器的标定,建立土壤含水率与测量信号频率之间的二次关系式。进一步对土壤水分传感器的测量性能进行试验,测试其重复性、稳定性与一致性。试验结果表明,一号与二号传感器节点测量后的二次回归模型都有着很好的拟合效果,决定系数R12=0.991,R22=0.993,且在性能测试上也有着较好的稳定性重复性与一致性,能够满足田间环境下长期定点连续的土壤水分测量。结果表明,搭建完成的传感器样机具有比较可靠的测量性能,能够实现对土壤的定点多深度测量。