疲劳裂纹的萌生、扩展、贯通会诱发工程结构的灾害性事故。目前可用于疲劳裂纹的无损检测与健康监测技术,大多无法有效监测微小疲劳损伤,难以在裂纹萌生的早期阶段做出及时、有效、及定量的诊断。本文中基于疲劳裂纹的呼吸效应引起的超声导波的非线性特征,研究了主动、在线、定量的疲劳裂纹诊断监测方法。首先揭示了疲劳裂纹的呼吸作用对超声导波的调制机理,利用模态分解法和变分原理建立了二维情形下接触非线性和疲劳裂纹严重程度之间的定量关系,构建了非线性指数,并且利用有限元方法验证了该定量关系。然后基于该机理,进一步研究了三维情形下接触非线性与疲劳裂纹参数之间的定量关系,揭示了接触非线性产生的倍频谐波的分布模式与裂纹扩展方向的关系,数值模拟结果与理论分析吻合良好。利用该监测方法,在物理模型实验验证中有效地监测了在疲劳载荷下铝板中的裂纹的萌生与扩展,并检测出了疲劳裂纹的扩展方向。