本发明公开了一种水轮机顶盖螺栓轴力在线监测装置及方法，其中，超声纵波波导杆用于获取顶盖螺栓轴力发生变化时所产生的轴向实时位移从而产生形变；超声声弹测力传感器用于获取超声纵波波导杆的声时差；数据处理系统通过波导杆‑顶盖螺栓轴力转化算法获取顶盖螺栓的轴力变化值；实现对水轮机顶盖螺栓轴力的在线监测。本发明能够在不破坏顶盖螺栓本体结构的基础上，精确的测量螺栓轴力的变化值，解决了长期运行情况下由于顶盖螺栓端部防水、防腐处理不当，回波信号幅值降低而导致螺栓轴力值的测量值错误的问题；提升水电机组螺栓监测的准确性及长期可靠性，便于各类型水轮机顶盖螺栓轴力在线监测工作的高效、可靠实施。