针对目前常用的残余应力测量方法存在的具有破坏性、操作不便、测量位置适应力差、测量效率低等不足，为满足大型工程结构产品在生产过程及后续服役状态下结构应力监控和可靠性评估的需要，本文开发了基于临界折射纵波的平面应力测量方法，实现了工程结构近表面主应力的无损、快速、精确测量。临界折射纵波因其沿材料表面以纵波形式传播的特性，适用于材料近表面应力的测量。根据临界折射纵波实际传播中的受力状态，结合应力—应变的非线性关系，推导了复杂应力状态下的临界折射纵波声弹性方程。根据表面上沿厚度方向应力为零的条件，将其简化到平面应力状态。设计了单轴拉伸实验，针对7N01铝合金材料，对临界折射纵波声弹性方程中平行于应力方向和垂直于应力方向传播的波声弹性常数进行了标定；设计了应力分布已知的平面静应力场，进行平面应力状态下的声弹性实验，实测获得的声速与计算获得的声速吻合良好。根据推导获得的平面应力状态下临界折射纵波声弹性方程，分析了基于单轴声弹性效应的临界折射纵波表面应力测量方法的不合理性，指出在应力测量中，垂直声速方向应力引起的声弹性效应不可忽略；根据实际声速测量与临界折射纵波探头结构，将平面应力下临界折射纵波声弹性方程中声速与应力的关系转化为声传播时间与应力的关系，并进行简化；根据实际工程需要，提出了可以直接测得所需方向应力的正交法以及可以测出主应力大小和方向的三向法两种临界折射纵波平面应力测量方法；使用信号发生器、示波器、临界折射纵波探头组、数字示波器和计算机搭建了应力测量系统，实现了利用临界折射纵波对平面应力场的实时快速测量，应用多种提高测量精度的方法，使得系统的声时测量精度达到了±0.5ns；使用应力分布已知的平面应力场验证了两种方法应力测量准确性，其中正交法应力测量平均误差为5.49MPa，三向法应力测量平均误差为8.80MPa；使用这两种方法对7N01铝合金平板对接接头的焊接残余应力进行测量，测得的应力结果均在盲孔法的误差范围之内，显示了该测量系统较高的应力测量精度。针对现有临界折射纵波应力测量方法空间分辨率低的问题，分析了应力分辨率与应力空间分辨率的关系，提出了声程差法，并给出了声程差与应力测量精度、声时测量精度之间的关系；根据自建的应力测量系统声时测量精度以及对应力测量精度的预期要求，计算得出最小声程；将声程差法结合到正交法与三向法，并使用平面应力场验证了三向法应力测量的可靠性。使用搭建的临界折射纵波平面应力测量系统对高速列车、地铁、油气管道、钛合金焊件应力消除效果等实际工程产品的应力水平进行评估，并对该方法的发展与应用前景进行了展望。