机械系统中螺栓联接的失效往往难以预防且危害极大。静载螺栓的失效形式主要为轴向应力过大引起的螺纹或螺杆塑性变形甚至断裂,以及轴向预应力过小引起的螺栓松脱。而对于动载螺栓而言,长期监控其轴向应力对疲劳断裂失效早期预警也非常重要。由此可见,实现螺栓轴向应力精确测控意义重大。本文从实际工业生产需求出发,针对现存螺栓轴向应力超声测量手段普遍存在的通用性较差以及测量步骤繁琐等问题,提出基于高频柱面导波渡越时间比值的螺栓轴向应力测量方法。首先,推导了考虑超声散射衰减的Pochhammer-Chree方程。然后,使用粒子群算法-牛顿法对其进行求解,得到钢质圆截面杆高频柱面导波的复波数频散曲线,相速度频散曲线,群速度频散曲线以及衰减系数频散曲线。最后,对以上求解结果进行深入分析,总结出高频柱面导波的传播特性。其次,联立声弹性方程以及Pochhammer-Chree方程,并在群速度极值邻域内对其进行一系列变形和简化,推导出考虑轴向载荷影响的柱面导波群速度近似表达式。然后,结合螺栓轴向应力测量中的实际特点,提出基于高频柱面导波渡越时间比值的螺栓轴向应力测量方法。再次,基于高频柱面导波的传播特性,分析了脉冲激励响应下的导波信号特点。针对此类信号突出的模态混叠干扰问题,提出了基于经验小波算法的导波信号模态分解方法,并使用仿真信号将其与常用的经验模态分解进行对比验证。然后,为得到模态的精准渡越时间,提出使用基于扩展卡尔曼滤波的非线性滤波方法对模态回波包络进行经验模型拟合。最后,对实验系统的软硬件分别进行介绍并对实测信号进行了深入分析,根据实验结果以及导波物理特性提出对信号中部分脉冲进行提取和模态分解。然后,对普通六角头半螺纹螺栓进行了轴向应力标定以及测量实验,标定拟合曲线的线性度良好,且平均测量误差不超过5%。测试结果表明本文所提方法相对现存手段大大简化了测量流程,仅需一个普通纵波接触式压电探头即可实现已紧固螺栓应力测量,具有一定的实用价值。