超声导波的缺陷敏感性高,传播距离长,因此超声导波检测技术被广泛应用于结构健康监测领域。压电传感器由于其具有高灵敏度,低成本、兼备驱动传感功能等优势常被用于激发和检测结构中的导波信号,基于压电传感的金属结构表面开口裂纹检测也得到了重点研究。大多数研究中,均假设表面开口裂纹内部杂质只是空气,但是在工程实际中,由于暴露在操作环境中,表面开口裂纹内部通常充满杂质（例如灰尘,污垢,油脂）。因此,开展金属结构表面开口含杂质裂纹的检测技术研究具有实际意义。同时,大多数检测技术都需要将损伤信号和健康基准信号进行对比实现损伤识别,但基准信号极易受到环境因素的影响,并且获取服役结构的基准信号是相当困难的,因此有必要开发无基准检测技术。基于以上原因,本文开展关于线性超声导波技术、时间反转技术、接触声学非线性机制的理论研究,搭建基于压电传感的超声导波检测系统,研究基于脉冲回波和时间反转技术的线性超声导波无基准检测方法,提出基于NEWS-TR的非线性超声导波无基准检测方法,并研究上述两种检测方法的适用性和局限性,从而联合两种检测技术全面有效地识别和定位金属结构表面含杂质开口裂纹。本文的具体研究内容包括:针对铝梁表面开口裂纹开展线性超声导波无基准识别和定位研究,并分析该方法对开口含杂质裂纹检测的局限性。结合脉冲回波法与时间反转技术设计检测流程,改进激励信号类型,并研究激励水平、工况和裂纹内杂质对检测结果的影响。结果表明,根据时间反转响应信号中缺陷回波的存在和到达时间可以准确检测损伤;激励信号中心频率越低,频率范围越宽,裂纹识别与定位准确性越高;在一定范围内,裂纹所受拉应力越大,声波在裂纹处的缺陷反射率越大;裂纹内杂质将导致缺陷反射率降低。提出一种针对铝梁表面开口含杂质裂纹的非线性时间反转无基准检测方法。分析声波在表面开口含杂质裂纹处的行为是否属于接触声学非线性机制的范畴,优化激励信号频率、Lamb波模态及传感器布局。实验验证了该无基准检测技术对表面开口裂纹（杂质:油脂和土壤的混合物）的有效性,对比初始响应滤波信号和非线性时间反转响应信号的归一化频谱图提取了表征该裂纹的非线性特征参数,并发现最佳的高通滤波器低截止频率应设置在激励信号中心频率的二倍频左右。研究所提出的线性/非线性超声导波无基准检测方法的适用范围,结合上述两种方法进行联合表征。该适用范围主要针对表面开口裂纹中不同熔点的杂质展开,包括空气、水、煤油、凡士林、环氧树脂、煤油与土壤的混合物。实验结果表明,在激励信号中心频率小于50 k Hz的水平下,表面开口裂纹中的杂质分别为空气、水、煤油时,对应的时间反转响应信号中可以观察到缺陷回波,而初始响应滤波信号和非线性时间反转响应信号的归一化频谱图中未能观测到显著的非线性特征;杂质分别为凡士林（0℃）、环氧树脂、煤油与土壤的混合物时,对应的时间反转响应信号中未能观察到明显的缺陷回波,而初始响应滤波信号和非线性时间反转响应信号的归一化频谱图中可以观测到明显的非线性特征。因此,可以联合这两种检测技术对工程实际中的金属结构表面开口含杂质裂纹进行全面有效的识别和定位。