超声波检测方法作为一种非接触式测量方法,以其具有不易受光照、电磁场、以及被测物体颜色影响的特性而被广泛应用于军事导航,冶金铸造工艺,流量检测等领域,其传播时间的精密测量是超声波检测方法的物理基础。而如何提高超声波近距离检测的时间分辨率、如何有效提取远距离检测时极其微弱的超声波信号成为现阶段的主要研究内容。为此,针对上述问题,本文提出了差分单频可控脉冲相移法用于测量超声波微小时差,时差分辨率可达2ns,并将其应用于超声波热量表的流量检测,可以改善小流速下限性能,提高流量计量仪表量程比。同时针对超声波远距离测量时信号微弱难以检测的问题,采用了非线性测量方法(混沌检测方法)提升检测精度。本文的主要工作有以下几个方面：1)在分析了常用超声波微小时差测量方法的基础上,针对流量检测当中超声波信号较强,提出了差分单频可控脉冲相移法的微小时差测量方法,并介绍了功能电路的实现,本方法时间分辨率可达2ns。2)研制了基于上述方法的小口径低功耗超声波热量表样机,包含流量计量、温度检测、红外通信、数据存储、空管检测、M-bus通信、无线通信、液晶显示等功能。设计了样机硬件系统、MSP430下位机软件,并在工业现场的校表装置上对样机进行了标准化测试,测试得到0.02m/s下限流速,上限流速达5m/s,并在设计上能测到更大的流速。3)针对远距离情况下超声波信号极其微弱甚至被淹没在噪声当中难以检测的问题,提出了基于耦合混沌同步系统的远距离超声波时差测量方法,给出了方案的设计,包括方法的介绍与仿真分析以及在定量浇铸控制系统中应用方案介绍。最后,本文给出了进一步研究上的展望。