随着工业技术的发展进步,多维力测试技术已广泛应用在工程测试领域。学者们经过几十年的研究探索,开发出了多种多样的力测试技术,其中以压电晶体为力敏源的测试方法拥有较高的灵敏度和优越的动态性能,多被用于测控领域的多维动态力测量工作。而在科学技术进步的同时,压电式传感器仍以压电片整面提取电荷的方式进行力测量,对压电效应的利用仍停留在力-整面电荷量的线性关系上,缺乏针对压电体局部面域内电荷分布的研究探索工作,导致多维力（三维以上）的测量必须依赖多点布置测力单元的方式进行,在测量原理上缺乏大的创新。因此,进一步开展石英晶体各局部面域内力感应电荷的研究分析工作对开发新的力测量方法具有重要意义。本文将摒弃只利用力-整面电荷线性关系制作传感器的固有观念,以立方体石英为研究对象,推导在多维力作用下石英晶体上的应力和感应电荷分布公式,并根据分布形式划分面域以实现不同维度力/力矩的测量,最终研制出一种基于单立方体石英的力测量装置,本文研究内容如下所示:对不同的压电材料比较分析,最终选择石英为本文的研究对象。把石英的材料性质与各向异性弹性理论相结合,将立方体石英块以不同方向放置,逐步推导求解得到了六维力下石英内部应力场的理论解析式,然后完成了有限元软件对石英的应力仿真分析,初步验证了石英块内部应力场分布理论。基于石英的压电理论,推导得到了石英晶块内部的电荷密度分布公式。根据感应电荷量的求解方法,得到了特定面域内电荷量的积分方程式。随后使用有限元软件对石英块进行电荷仿真分析,进一步验证了感应电荷分布公式的正确性。最终在不同方向放置下的晶块表面划分面域,得到了每个方向放置晶块时测量多维力的求解公式。根据以上分析理论,设计了一种基于单石英块的多维力测量装置。装置的一阶固有频率为1165.16Hz,截面尺寸约为50×50mm,同类四点布置的扭矩测力仪尺寸约为200×200mm,有效缩减了测力仪的结构尺寸。扭矩方向的标定实验表明测量扭矩的非线性误差在3%以内,重复性误差在5%以内,输入输出对应关系与理论计算相符合。经对比,标定结果与计算结果的相对误差在6%到13%之间。最后实验评估了法向压力对测量装置的干扰,并提出了去除干扰的理论修正方法。本文的研究初步在理论上证实了使用单立方体石英晶体测量六维力的可行性,为压电式力测量方法的进一步创新提供了崭新的思路。