薄壁结构是一种在工程结构和基础设施中利用率最高的承载部件之一。由于固有缺陷、疲劳载荷、材料老化和环境侵蚀等因素的作用,薄壁结构中不可避免地会萌生损伤,进一步出现损伤积累,造成材料性能退化,导致结构承载能力降低。因此,由损伤引起的结构失效是薄壁结构在服役过程中需关注和预防的重点。相比传统超声体波,超声导波更适用于大面积薄壁结构的损伤快速检测/监测。近几十年来,研究者们在简单薄壁结构和复杂加筋薄壁结构上开展了大量基于超声导波的损伤诊断方法研究,推动了超声导波技术从原理性基础研究和功能验证逐步过渡到面向真实薄壁结构的实践应用阶段。在实践中,超声导波技术应用的直接思路是对比损伤前后的导波信号（基准信号vs当前测试信号）,通过捕捉损伤引起的信号变化对薄壁结构的损伤状况进行诊断评估。然而这种依赖基准信号的损伤诊断方法在真实应用场景下受到众多限制。一方面,大量薄壁结构面临老化问题,在长期服役过程中可能已积累损伤,此时已无法获取结构在无损伤状态下的导波基准信号。另一方面,薄壁结构的服役环境和操作条件出现改变不可避免,由此造成基准信号与当前测试信号之间的差异可能大于损伤引起的信号变化。针对上述限制,本文从简单薄壁结构的超声导波单模态控制与识别方法、大面积薄壁结构的超声导波与机电阻抗多信息源融合方法、加筋薄壁结构的超声导波机器学习方法及超声导波软硬件系统的集成技术等方面展开深入研究,探索高效率、高精度的无基准损伤诊断方法,主要研究内容及结果包括:（1）对简单薄壁结构中超声导波的激励-传播-接收过程进行了力学建模研究,分别求解了平行波阵面与圆环波阵面的频散方程,推导了圆形的锆钛酸铅压电陶瓷晶片（简称PZT）做激励器和传感器时S0和A0两种模态的幅值响应表达式。在此基础上发展了两种单模态控制方法:1)频率选择法。根据薄壁结构厚度及PZT的尺寸,在特定频率范围内可增强所需模态,抑制无关模态,实现单模态激励;2)同心激励法。通过激励同心PZT的不同部分,在同一波程上采集多组导波信号,再依据S0和A0模态的幅值比例差异处理信号,补偿时间差后提取单一 A0模态信号。在铝板实验中,分别使用频率选择法和同心激励法得到能量占比高,相对单一的S0或A0模态,实现了无基准的裂纹损伤诊断。（2）针对大面积薄壁结构的高效损伤诊断需求,提出了一种移动式PZT探头结合多信息源数据融合方法的无基准损伤诊断技术。设计了一种移动式PZT探头,通过有限元数值模拟验证了探头用于超声导波和机电阻抗多源数据融合的可行性。对于薄壁平板中L型裂纹损伤,开展了移动式PZT探头结合超声导波和机电阻抗多源数据融合的无基准损伤诊断实验研究。基于频率选择法,通过PZT探头在低频下激励出单一 A0模态,快速扫查定位了铝板上的完好区域和局部损伤区域;分别在完好区域随机位置和局部损伤区域检测位置测量PZT探头的阻抗响应,采用异常值分析方法获取随机位置的阻抗响应信号均值替代传统基准;构建机电阻抗诊断概率图像,实现了损伤局部表征。相比单一信息源数据超声导波的定位结果,融合机电阻抗信息源数据的无基准损伤成像方法提高了定位精度,且诊断结果表征出L型裂纹的形状。（3）分析了加筋薄壁结构中模态转换现象及对其损伤诊断面临的挑战,提出了一种密度聚类-字典学习的超声导波损伤诊断成像（简称DRPDI）方法,实现了加筋薄壁结构的无基准损伤诊断。发展了密度聚类和K-奇异值分解字典学习相结合的机器学习算法,聚类健康路径为核心数据集,自适应训练健康路径信号字典库,对与损伤相关路径的信号进行稀疏重构,在无基准信号情况下构建概率损伤诊断图像,实现了加筋薄壁结构的损伤识别与定位。在加筋薄壁结构上进行了三处模拟损伤实验研究,实验结果表明DRPDI方法的诊断定位结果良好,定位精度与传统有基准方法的精度相当。考察了重构数据与样本数据之间的损伤指数稳定性,探讨了 DRPDI方法的性能表现。（4）分析了导波损伤诊断系统的功能需求,研究了无基准损伤诊断系统的集成化方法,分别设计了硬件和软件系统的集成方案,研制了中央控制单元、信号激励单元、信号切换与调理单元、信号采集单元、数据存储单元、通信单元以及电源管理单元等各硬件模块,开发了海量数据管理、数据处理与可视化、路径分类和筛选、无基准损伤诊断算法实现等各软件模块。对集成系统的性能进行了详细测试,测试结果表明系统达到设计指标,满足超声导波损伤在线诊断技术的需求。所开发的集成系统,支持大规模压电传感器网络,将为薄壁结构在低成本维护需求方面提供一种富有潜力的高效解决方案。