分析了高频电容土壤水分传感机理，建立了附加电阻高频土壤水分数学模型，设计了附加电阻平行板电容传感器检测电路，并进行实际土壤测试实验。结果表明，土壤电容值与土壤的重量含水量近似成线性关系，在1%的土壤水分含量误差范围内，能够准确地测定土壤水分含量，消除了电导引起的测量误差。
1、电容土壤水分模型的构建及测量频率的确定
对于土壤介质来说，影响其介电特性的因素很多，包括电磁频率、土壤含水量、土壤质地等，但以电磁频率的影响最大。当频率低于1MHz时，其介电常数存在一个离子电导而造成的介电常数分散区，表现为介电常数很大；只有当电磁频率高于1MHz时，受土壤质地和结构的影响较小，介电常数才较为稳定。但是随着频率的增加， 许多寄生效应随之产生，如集肤效应和邻近效应等。因此，测量方案选用的频率为10MHz高频电容土壤水分传感器的电气模型。
土壤模型主要由电容Cx 和电阻Rx的并联组成。其中，Lp 表示土壤电容器2个极板的寄生电感，它随着极板正对面积的增大而减小，所产生的感抗随频率的增大而增大；Rp和Cp分别表示极板的寄生电阻和2个极板间的寄生电容，寄生电容的容抗随频率的增大而减小。通常情况下，在测试频率为10MHz时，这些寄生参量值很小。
2、附加电阻法测量土壤水分模型的建立
为了采集土壤水分含量信息，采用分压电阻法。其中，Rx和Cx构成了土壤的阻容并联模型，Ra为附加电阻，Rc为串联分压电阻。当开关K的闭合时，Ra被加入到土壤模型中。通过开关的闭合和开启，可以得到不同的输出电压值，经过计算，从而确定土壤的等效电容分量，最终得到土壤的水分含量。
在附加电阻Ra接入和断开2种情况下，讨论输出信号与输入信号之间的关系，通过数学计算得到土壤等效电容分量值，再由电容传感器输出特性，最终求得土壤中的水分含量。
考虑到尽量不破坏土壤的结构状况，根据平行板电容器的原理，设计了平行板电容传感器。为了避免外界电磁波和自身边缘效应的影响，采用了全屏蔽的方法，即把1对正对的平行板电容器放在封闭的立方体金属壳体内部，屏蔽罩接地。其中2个金属极板的尺寸均为80mm×80mm，极板间距为80mm。
由于平行板电容器电力线有边缘效应，所以在测试土壤水分时，用取土器取传感器容积大小的土壤，让土样完全充满槽体，保证土样全部处于平行板电容器的平行电力线均匀电场中，以减小传感器结构造成的误差。
根据附加电阻法原理，采用实际的电容和电阻模拟土壤介电特性，在电阻值固定的情况下，改变电容值，应用设计的电路进行检测，其中，Cx为模拟土壤的电容值，uo1，uo2分别为Ra连接和断开时的输出信号电压，Cx为根据实测数据计算的土壤模型电容分量值。在该试验中，模拟土壤的电阻值Rx 为100Ω、串联分压电阻Rc采用99Ω， 附加电阻 Ra为99Ω，输入信号电压 ( 频率为10MHz)为1380mV。 2100433B
