机车车轴是高速机车的关键部件之一，车轴的可靠度直接决定着机车运行的稳定与安全，因此必须定期对其进行探伤检测。在各种探伤手段当中，超声波探伤因具有安全无害、操作简单、穿透力强等优点而被广泛的应用在各种工业探伤检测场合中。本论文主要研究了高速机车车轴超声波检测中所应用的关键技术，分析了车轴常见缺陷的主要成因，确定了车轴探伤的重点区域，设计了数字化机车车轴超声波探伤系统。探伤系统的下位机采用非调谐式发射电路，产生高压脉冲激励超声波换能器发射超声波，回波信号经过限幅保护电路输入到可变增益放大电路中，可通过增益控制电压改变增益的大小，输出的模拟信号经由A/D电路转换后由高速存储器缓存，最后通过通用串行总线（USB）传输给上位机。数字化探伤系统的上位机软件利用Visual Basic6.0平台构建了用户图形界面，实现了波形的显示、存储及参数计算，完成了缺陷的精确定位，此外还设计了IIR数字带通滤波器对回波信号进行降噪处理，应用能量窗包络法及希尔伯特变换法提取了回波的包络，获得了信号的时域特征，为进一步的缺陷分析打下了基础。针对试块及机车车轴人工缺陷进行了检测实验，验证了系统的稳定性与准确度，快速、准确的确定了缺陷的具体位置，证明了数字化超声波探伤技术在高速机车车轴探伤领域中的优越性。