在航天工业发展以前,几乎所有科学领域内所做的基础实验、以及由此诞生的科学理论均是建立在有重力环境下的。而随着航天工业的快速兴盛,太空中可提供的无重力环境,为生命科学、医药学、化学、材料、物理学等多种领域的科学实验提供了新的探索方向;西方多国建造了国际空间站,我国也建造了中国空间站以开展无重力环境下的空间实验。但无重力环境导致一些常规物理量的精密测量方法不再适用,如质量的测量;实验样品质量的测量在医药学、生物学、化学、材料学等重要学科中都有着广泛的应用,而由此,国内外研究人员对适用于无重力环境的质量测量设备产生了广泛的研究兴趣。因此,本文旨在研制一种不受重力环境影响的压电天平。常见的适用于无重力环境下质量测量的方法包括加速度法与谐振法,这两种测量方法已被应用于航天员的体重测量。其中,谐振法基于系统建立固有频率变化量与附加质量之间的关系开展质量测量。而后,压电陶瓷的诞生以及压电结构机电耦合模型的建立为固有频率的监测提供了一种高效方法——阻抗法。常见的基于阻抗法的压电天平是基于悬臂梁的贴片式结构;样机刚度较低,在面临冲击载荷时可能会产生大的变形从而导致较大的测量误差。同时,较小的刚度也导致贴片式压电天平的质量测量范围受到了限制。针对贴片式压电天平所存在的一系列问题,本文提出了一种能在大质量范围内保持较高精度的夹心式压电天平构型,并在此基础上对比分析了贴片式和夹心式压电天平构型的特点。在确定夹心式压电天平构型的基础上,分析了压电天平质量检测的机理、设计了基于该构型的压电天平换能器结构和物料容腔结构。随后利用有限元软件分析了不同质量、材质的样品对压电天平固有频率的影响规律,分析对比了不同模态下的质量分辨率,最终确定了压电天平的工作模态。本文进一步探究了样品密度和刚度等单一参数条件对样机整体串联谐振频率的影响规律,并对结果进行了归纳总结。此外,本文还建立了工作于一阶纵振模态下压电天平的机电耦合模型,证明了串联谐振频率代替样机固有频率的可行性。为验证通过测量串联谐振频率代替固有频率实现质量测量的方案,评估样机的质量测量范围以及样机的质量分辨率,完成了压电天平谐振频率测量系统的构建工作。详细分析了电学谐振频率测量的基本原理,确定了基于AD5933阻抗测试模块的电学谐振频率测量系统框架、完成了对AD5933阻抗测试模块的参数评估;在此基础上,设计了阻抗等效模块,实现了8kΩ到30kΩ阻抗范围的最大精度测量。在实现大频率范围的阻抗测量的同时,在嵌入式开发板中设计了串联谐振频率识别程序,并将其嵌入到UCOSII操作系统。此外,对人机互交的详细内容进行了设计,实现了扫频参数的确定、阻抗曲线的显示和串联谐振频率的识别,完成了电学谐振频率识别系统的整体构建。采用所构建的电学谐振频率识别系统对同一状态下的样机串联谐振频率开展实验测试,其重复性误差仅为15Hz。在样机结构设计和仿真分析工作的基础上,研制了压电天平实物样机,并开展了系列实验研究。分别采用激光测振仪、阻抗分析仪和电学谐振频率测量系统测量了压电天平附加质量前后的振动特性和阻抗特性。通过三种测量方式的对比分析,验证了电学谐振频率测量方案的可行性,也检验了压电天平可实现大量程的质量测量的能力。实验结果表明:对于304不锈钢材质的质量样件,样机的质量测量范围为0～250g,0～150g范围内误差为6.6g,150g～250g范围误差范围小于4.4%。国内外压电天平样机的对比分析表明,本文所研制的夹心式压电天平具有突出的大质量范围测量能力,具有很大的应用潜力。