钢结构中钢构件的应力状态是判断钢结构安全性能、预测钢结构服役寿命、进行钢结构加固和改造的重要依据。超声应力检测作为一种无损检测方法,具有检测精度高、操作简单、仪器便携等优点。现有的超声波法应力检测方法主要进行钢构件的单轴绝对应力检测,在实际的建筑结构中,绝大多数钢构件处于复杂应力状态,超声应力检测的应用范围十分有限。同时,目前超声应力检测传感器一次仅能实现一个测点的测量,测量效率低。本文基于声弹性理论,采用临界折射纵波作为检测波型,推导了三向法平面应力检测公式,研制了阵列传感器,搭建了基于阵列传感器的平面应力检测系统,扩大超声应力检测的应用范围,提升应力检测的精度和效率。主要研究内容如下:基于临界折射纵波的平面应力检测理论公式推导。在声弹性理论的基础上,分析了超声波的声弹性效应,推导了平面应力状态下临界折射纵波的声弹性方程,确定了临界折射纵波声时与钢构件绝对应力的本构关系,得到了基于临界折射纵波的平面应力检测公式。三向法钢构件平面应力检测系统与验证。搭建了基于临界折射纵波的平面应力检测系统,探究了压缩标定实验的可行性,标定了了传感器系统的应力声时差系数。设计了变截面钢板平面应力场,进行了钢构件平面应力检测试验,验证了三向法的可靠性,分析探究了声程、交叉点位和耦合剂对检测精度的影响。基于阵列传感器的钢构件平面应力检测系统的建立与验证。结合三向法与阵列传感器,设计了阵列传感器的排布方式,研制了能够实现多点平面应力检测的可变角度阵列传感器,搭建了基于阵列传感器的平面应力检测系统。设计了三点弯钢板平面应力场,使用平面应力检测系统进行该区域的平面应力检测。将检测结果与应变片法和有限元模拟的应力结果进行对比,验证了基于阵列传感器的平面应力检测系统的有效性。