棒材作为一种基础的现代化工业组成部分,应用于各个领域,为我国国民经济发展和现代化国防建设做出了重大贡献。但是由于棒材在锻造和轧制过程中会出现纵向裂纹、横向裂纹、鳞状折叠等缺陷,一旦棒材在高温、高压、交变载荷等恶劣的使用环境中失效会导致严重的事故,造成重大的经济损失和人员伤亡,因而需要对棒材进行无损检测以确保其质量可靠。目前,在众多棒材无损检测技术中,超声无损检测技术以其穿透性强、分辨率高、检测灵敏度高、携带信息丰富、对人体安全无害等优势,成为棒材缺陷检测最为有效的手段。然而,随着社会生产力的不断提升和社会经济水平的快速发展,常规超声棒材在线无损检测技术已经无法满足现代化棒材检测的需求,相控阵超声无损检测技术以其灵活、快速、准确、电子化等优势,成为棒材在线超声无损检测的研究热点。基于以上背景,本论文结合国家自然科学基金项目“圆柱类部件高性能自动化相控阵超声成像检测理论与技术的研究”(NO.51675480),提出开展细径棒材在线相控阵超声无损检测关键技术的研究。在研究细径棒材相控阵超声无损检测基础理论以及实现凹面线型相控阵超声换能器声场建模的基础上,对直入射凹面线型相控阵超声换能器参数进行分析及仿真优化,并结合相控阵超声无损检测技术和机电一体化技术,通过开展基于相控阵超声的细径棒材在线无损检测技术的研究,研发相应的系统,实现细径棒材轮廓和缺陷的检测。同时,还进行实验研究,为细径棒材的自动化在线超声无损检测打下必要的技术基础。具体研究工作包括:第一章,论述了棒材的重要作用以及对国民经济和社会发展的重要意义,总结分析了棒材无损检测技术的研究现状及其发展趋势,指出了细径棒材相控阵超声无损检测技术在线应用的优势,明确了本文的研究内容,为后续章节的研究指明了方向。第二章,根据惠更斯原理,实现了相控阵超声换能器声束的聚焦、偏转以及聚焦加偏转的电子扫查,分析了超声波在水钢界面入射时发生的反射、折射和波型转换现象,并根据细径棒材的缺陷种类提出了相应的检测方式。此外,采用解析法推导出了凹面线型相控阵超声换能器的声压分布公式,完成了该类相控阵换能器声场的理论建模,并根据换能器参数选择的优化目标,研究了相邻阵元对应的圆心角、阵元宽度、动态阵元总数以及工作频率对凹面线型相控阵超声换能器性能的影响。第三章,在对细径棒材的外形轮廓检测方式介绍的基础上,完成了超声回波信号的包络提取,并对超声波在耦合水中的声速进行了温度补偿,实现了对细径棒材外形轮廓的精确测量。同时,在对直入射和斜入射凹面线型相控阵超声换能器的检测声场理论分析的基础上,通过建立棒材纵向和横向裂纹缺陷模型,开展了细径棒材缺陷相控阵超声检测的仿真研究,为后续的研发提供了进一步的理论支撑。第四章,完成了细径棒材相控阵超声无损检测系统总体方案的设计,明确了超声无损检测系统的目标功能,规划了系统的总体实施方案,根据分布式系统体系架构,完成了硬件模块、软件模块的开发和整个系统的集成,实现了细径棒材在线相控阵超声无损检测原理样机的研发,并且通过对设置有人工缺陷的棒材进行缺陷检测实验研究,证实了本论文所研发理论与技术的可行性。第五章,对全文的研究工作进行了总结,对将来的进一步研究进行了展望。