金属构件常因在恶劣工作环境中承载负荷使其内部应力积累而产生疲劳裂纹,疲劳裂纹的萌生与扩展使金属构件的结构强度变低而容易导致突发灾难事故,因此对金属材料的早期疲劳裂纹进行检测尤为必要。在金属材料早期疲劳裂纹的检测中,电磁超声检测具有无接触、灵活、检测效率高等优点,但受限于常规电磁超声换能器（EMAT）换能效率较低,导致接收信号的信噪比偏低。针对这些问题,本文进行新型电磁超声表面波换能器设计并采用新型换能器进行非线性检测实验,主要工作内容如下:（1）对基于洛伦兹力的电磁超声表面波换能机理进行分析,并对窄磁铁EMAT的波形叠加合成进行研究。求解出不同方向磁场的洛伦兹力贡献度,并推导出窄磁铁EMAT的波形合成公式。通过方案对比选取线圈排布方案,对窄磁铁EMAT导致的时域波形畸变与频率分裂现象进行修正。推导出频率偏移修正公式,对窄磁铁EMAT的频率偏移进行修正。（2）建立窄磁铁EMAT的二维仿真模型,并分析EMAT的感应涡流和声场特点。为优化EMAT结构,研究磁铁与线圈相对尺寸对接收信号的影响,并经过分析得到最佳线圈宽度与磁铁宽度比及最佳磁铁厚度。建立了窄磁铁聚焦EMAT的三维仿真模型,研究超声波的传播特点及EMAT的聚焦效果。设计了窄磁铁聚焦EMAT的并联分裂聚焦线圈和扇形磁铁结构。（3）搭建窄磁铁聚焦EMAT的非线性电磁超声检测系统。为测试窄磁铁聚焦EMAT的激励效果,研究了激励周期对接收信号的影响,对新型EMAT的窄磁铁结构、并联分裂导线结构与聚焦结构进行对比实验,分析各结构对EMAT激励效率的影响。最后将窄磁铁聚焦EMAT与常规EMAT进行对比,实验证明窄磁铁聚焦EMAT具有更高的换能效率,可将信号幅值提高55.92%。将窄磁铁聚焦EMAT用于疲劳试件的检测,实验结果表明本文设计的窄磁铁EMAT可以有效表征疲劳损伤。研究了非线性检测实验中激发端、接收端与裂纹三者相对位置的变化对相对非线性系数的影响,实验表明可以在恒焦距检测中使用相对非线性系数实现裂纹定位和长度识别。