水分是天然土壤的一個重要組成部分，它不僅影響到土壤的物理性質，制約著土壤中養分的溶解、轉移和微生物的活動，而且，是構成土壤肥力的一個重要因素，更是一切植物賴以生存的基本條件。因此，測定土壤含水量，對實施精準農業，節水灌溉，提高農業生產效率有重要的意義。
　　目前，測定土壤水分的方法歸納起來有兩大類，一類是變動位置取樣測定（如烘干稱重法等），另一類是原位取樣測定（如，中子法、C射線法、時域反射儀法、頻域發射儀法、傳感器法等）。不同的方法各有優缺點，烘干稱重法原理簡單、精度高，但其操作煩瑣，又不能在田間實時連續監測。
　　中子法和C射線法雖可在室外快速準確監測，但存在放射性物質危害人體健康。時域反射儀法和頻域發射儀法價格比較昂貴，而傳感器法安全可靠，測定土壤水分快速直讀，具有不必采土樣，不破壞土壤結構，可連續監測并輸出電信號，十分適合于監測田間土壤水分動態分布和變化情況，便于長期的觀測和積累田間水勢資料等，因此，被廣泛應用在田間監測土壤水分。
　　本文設計采用傳感器法，主要面向設施農業的應用，其使用對象主要是農業種植和管理者，所以，設計力求簡單易用、快速直讀、價格低廉。
　　1 土壤水分測定儀檢測轉換電路工作原理
　　1.1 土壤水吸力傳感器的基本原理
      目前，水分傳感器多種多樣，本設計選用土壤水吸力傳感器，因其具有結構簡單、使用方便、靈敏度較高等優點，可以定點定位連續測定土壤水分的運行，及時反映土壤水分的縱橫變化。
　　土壤水吸力傳感器是根據土壤水吸力的大小與土壤水分含量有關的原理制成的。一般來說，土壤含水量越小，吸力越大；反之，吸力越小。其結構如圖1所示。

圖1 土壤水吸力傳感器

      集氣管上有注水口，使用時，打開橡皮塞，注滿水后再塞緊，當管中氣體排出后，將陶土頭埋入土中。陶土頭是感應部件，具有許多微小的孔隙，陶土頭被水浸潤后，在孔隙中形成一層水膜，當充滿水且密封的土壤水分傳感器插入水分不飽和的土壤時，水膜就與土壤水連接起來，使儀器內部的水產生負壓，此負壓作用于固態壓阻式傳感器，傳感器將負壓轉換成電信號，從而可獲得0~100 kPa范圍內任意點土壤吸力的電信號，并且，二者有良好的線性關系。
　　固態壓阻式傳感器是利用單晶硅的壓阻效應制成的一種力敏器件，是以單晶硅為基體，用集成工藝技術擴散4個等值應變電阻，并組成惠斯登電橋。不受壓力作用時，電橋處于平衡狀態；受到壓力作用時，一對橋臂電阻變大，另一對則變小，從而達到測量氣體、液體壓力大小的目的。例如：一只CYG01型壓阻傳感器在一定的電源電壓激勵下，當吸力為0時產生5mV的電位差，在100 kPa吸力時產生85mV的電位差。傳感器供電源用直流，為了解決溫度漂移問題，一般有恒壓源和恒流源，在近距離測量時，用恒壓源9V供電，可以同時供給多個傳感器使用；若測量距離遠，在精度要求高的情況下，可用恒流源6~10mA供電，每只恒流源只供給一個傳感器使用。
　　1.2 土壤水分檢測轉換電路原理
       土壤水分檢測轉換電路原理方框圖如圖2所示。

圖2 原理方框圖

　　土壤水分檢測轉換電路由土壤水吸力傳感器、信號調理電路、顯示裝置和供電電源等組成。設計的基本原理是土壤水吸力傳感器將土壤含水量的大小轉換電信號送給信號調理電路，調理電路對信號進行處理后送顯示裝置顯示。
　　1.3 土壤水分檢測轉換電路設計

      按照上述設計原理，設計的土壤水分檢測轉換電路如圖3所示。

圖3 土壤水分檢測轉換電路圖

　　電路工作時，土壤水分傳感器將土壤含水量的大小H（% ）轉換為土壤水吸力的大小，并作用于壓阻式傳感器。
　　壓阻式傳感器將土壤水吸力轉換為差動電壓信號輸出給雙端輸入單端輸出差動放大器。此處，采用差動放大器是由于其具有較好的抑制零漂的作用，同時，可將雙端輸入信號轉換為單端輸出信號。由于差動放大器的輸出與輸入是反相的，故將此輸出的信號再送給反相放大器，在放大信號的同時將輸出再次反相，從而轉變為與壓阻式傳感器的輸出同相的電壓信號。為了根據需要調節反相放大器的放大倍數，在其反饋電阻上串接一電位器，同時，對信號進行調零和校正。最后，將調理電路輸出信號送給數字電壓表，顯示最終的輸出電壓值，根據測試數據標定情況制做一土壤含水量表頭，由此可直接讀出土壤含水量的數值。
　　2 土壤水分測試儀試驗
　　2.1 土壤水分檢測轉換電路測試標定

      首先，采用烘干稱重法制備含水量100%,其中，m1為水分質量，m2為土壤干土質量，單位均為g）為8%, 12%, 15%, 18%, 22%, 25%, 28%, 30%,34%, 36%, 38%, 43%的土樣若干組，用本裝置測出其輸出電壓值，列表并作出土壤含水量與輸出電壓之間的曲線，據此對該電路裝置進行標定，并制做土壤含水量表頭。
　　2.2 結果對比

       用本電路裝置和烘干稱重法測量土壤含水量，并進行對比，其結果如表1所示。

表1 測量數據對比

　　3 試驗結論
　　測量結果表明：本電路裝置的分辨力為0. 1%,與烘干稱重法測量值的差值均在5%以內，說明本裝置的分辨力和測量準確度是比較高的。特別是利用本裝置測量土壤含水量速度快（測量一次僅需幾秒鐘）、數值顯示、非常直觀、體積小、便于攜帶，可隨時測量含水量的情況，很適合在田間、溫室大棚、草坪等場合使用。