航空航天及国防科研事业的快速发展,对测力天平的响应速度及固有频率提出了较高的要求。本文针对某大尺寸模型的风洞试验动态测力需求,研制了一种新型三分量压电天平,该压电天平具有测量量程大、测试精度高、固有频率高,稳定性好等优点,从而保证了风洞测力数据的可靠性和测试精度。首先,基于压电石英晶体的正压电效应及压电机理,推导出石英输出电荷与其本身作用应力之间的表达式,得到体现压电效应的压电系数矩阵;将压电系数矩阵作为理论依据,对测力传感器进行设计。在测力传感器基础上,介绍了四支承点传感器的菱形和正方形空间布局及其测量原理并结合本课题研究内容及要求,提出了需要重点解决的关键技术问题和难点,为后续压电天平测量方案选择和结构设计提供方向。其次,根据天平的尺寸和承载能力要求,对传统四支承点式菱形布局结构和正方形布局结构进行拓展,设计了四支承点式矩形布局结构和八支承点式双矩形布局结构。根据ANSYS Workbench静态和模态分析,从天平刚度和固有频率两个方面进行分析和对比,确定天平最后测量方案。计算了传感器使用石英晶片的尺寸,并研究了天平使用过程中不同作用点下的向间干扰问题和变化规律。最后,根据天平结构形式及标定量程,选择双向活塞式液压力发生器作为施力装置;建立了天平三维标定加载模型,对天平标定过程进行分析。利用标定加载装置对标定系统进行静态标定,得到天平的非线性、重复性和向间干扰等精度指标,经过解耦补偿的天平各项指标均在2%以内,满足三维气动力测量要求。针对天平的动态特性,设计了动态响应实验,实验表明该天平具有良好的动态特性和高的固有频率,满足风洞动态测试需求。