在机器运行过程中，两个作相对运动的接触表面会相互摩擦磨损，严重时会导致机器故障，为此常在接触表面间添加润滑油。润滑油膜的厚度影响机械设备的工作状况，只有油膜厚度适宜时才不会影响机器正常工作，因此准确测量润滑油膜厚度具有重要意义。在众多润滑油膜厚度测量方法中，超声波测量方法更能适应实际的工作环境，有良好的应用前景。本文重点对超声波油膜厚度测量方法及测量系统进行了研究。为测量不同油膜的厚度，基于声波传播特性，论文中建立共振模型和弹簧模型。共振模型利用的是反射系数频谱图中的极小值，弹簧模型则是利用反射系数与膜厚的单调性进行膜厚测量。当油膜厚度与超声波波长接近或大于波长时应用共振模型；反之则选用弹簧模型。超声换能器是膜厚测量系统的关键组成部分，研究其声场特性并结合测量要求选择合适的超声换能器用于实验。另外研究了换能器阵列的辐射声场，分析换能器阵列中各参数变化对指向性的影响。在模型建立的基础上，设计并制作了测量电路，完成硬件系统驱动程序和数据处理程序的编制。设计了超声膜厚测量实验系统，以构造的不同油膜厚度作为标准膜厚，应用于实验测量。利用设计的厚度测量系统对不同的油膜厚度进行测量，分别利用弹簧模型、共振模型进行膜厚推导计算。对比实验测量值与被测试件油膜厚度，相对误差小，精度高，证明设计的测量系统和模型的可用性。