表面摩擦阻力是飞行器飞行过程中主要阻力来源之一。近年来,诸多学者致力于表面摩阻测量的研究,旨在为减阻措施提供理论依据。减阻不仅意味着降低飞行成本,节约资源;而且能够避免飞行器表面因长期高温而产生烧蚀、磨损现象。因此,实现表面摩阻快速、准确地测量对航空航天事业具有重要意义。高超声速飞行器飞行速度快,飞行环境难以预测,所处流场复杂,在特定情况下飞行器竖直方向的受到的压力能达到表面摩阻的百倍甚至千倍。目前大部分摩阻天平的结构由感应头和敏感元件组成,感应面越大,受到竖直方向的压力就越大,摩阻天平就越容易损坏。因此,必须减小感应面的面积,感应面越小,所受到的表面摩阻就越小,进而增加了表面摩阻的测量难度。针对这一问题,本文设计了两种测量装置来解决,分别为应变式测量装置和压电式测量装置。首先对两种测量装置进行了基础理论分析,基于悬臂梁弯曲理论推导了弯曲挠度方程以及力与应变关系,提出了合理设计弹性应变杆尺寸的方法来避免法向力对表面摩阻测量的干扰。基于压电效应和分割电极理论推导了压电式扭矩传感器的压电效应表达式,提出利用杠杆原理实现对毫牛级表面摩阻的放大测量。其次对两种测量装置进行结构设计,应用Pro/E和ANSYS对弹性应变杆尺寸进行参数化分析,确保最大程度避免外力干扰;用静力学模块分析感测头最大位移量,防止测量过程与被测模型产生碰撞;用模态分析模块分析每套应变装置的固有频率,预估动态性能好坏。对压电式测量装置进行晶片选择以及关键零部件强度校核,确保测量装置的可靠性。最后对两种测量装置进行标定实验,先用高精密电子秤对微小力产生装置进行静态标定,建立固定间隙下力与电流关系曲线,非线性误差和重复性误差分别为0.05%和3.69%。再利用该关系曲线对两种测量装置进行静态标定,结果表明两种测量装置最优静态性能指标结果在毫牛级表面摩阻测量领域均符合测量要求,压电式测量装置稳定性优于应变式测量装置。此外,对压电式测量装置进行了动态性能检定实验,基于力锤敲击法的动态力脉冲实验测得了两套装置的一阶固有频率,结果表明压电式测量装置一阶固有频率远高于应变式测量装置,动态力测量实验表明了压电式测量装置具有良好的动态响应能力。