高速铁路无缝钢轨在环境温度发生变化时会产生巨大的纵向温度应力,当应力超过安全门限时将影响列车运行安全。作为一种检测无缝钢轨温度应力的新手段,非线性超声检测技术受到了越来越多的关注。针对现有通用非线性超声检测设备结构复杂、价格昂贵、体积大、不适合现场使用的问题,本文设计了一套基于FPGA和单片机的嵌入式便携检测系统,可以实现超声导波激励、接收、信号处理以及非线性系数的自动计算。论文首先根据一维条件下固体介质中的非线性超声波动方程,从理论上分析了单一频率激励下二阶非线性系数与基波幅值、二次谐波幅值的函数关系。以此为基础,确定了适合超声导波非线性系数检测的超声导波激励波形、激励频率以及超声换能器,设计了检测系统的总体方案。然后针对系统技术指标要求,完成了超声发射电路、超声接收电路、FPGA和STM32外围电路等硬件设计。针对系统检测功能,设计了 FPGA和STM32软件程序。其中,激励波形的高精度合成与接收信号实时采集功能通过FPGA中的硬件描述语言编程实现,包括DDS模块、数据缓冲模块和时钟管理模块三个功能模块;非线性系数计算与人机接口功能通过STM32中的嵌入式系统编程实现,包括u C/OS-Ⅱ操作系统移植、LCD触摸屏驱动、SD卡存储、FFT和非线性系数计算以及其它相关应用程序。系统功能丰富,集成化程度高,发射电路可实现激励波形可调、激励频率可调、触发间隔可调,以满足不同检测环境下,对波形和频率的要求。接收信号经过调理之后,可实现高精度实时采集、显示和存储,并能截取接收信号的任一波包实现FFT,计算非线性系数。最后,论文通过实物实验,测试了系统各方面功能与检测精度。通过与美国RITEC RAM-5000 SNAP非线性高能超声检测系统进行对比,验证系统检测误差在8%以内,在便携性与性价比方面具有一定优势。