油气水三相流含气率的动态测量是提高生产测井工艺的关键，随着光纤技术的出现和发展，出现了利用光纤传感器测量多相流含气率等参数的技术。本文主要对单支光纤探针和阵列光纤探针的结构进行了优化设计研究，对探针刺穿气泡的信号响应特性进行了仿真分析，研制出了能精确测量油气水三相流含气率的阵列光纤探针传感器。首先，为提高光纤探针传感器对气液的识别能力和响应灵敏度，对单支光纤探针传感器的敏感头进行结构优化。实现了光纤探针敏感头几何形状与收集光功率关系的理论分析，提出了用于测量气相特性的光纤探针的两个性能指标，完成了对探针敏感头的角度优化，使得优化后的光纤探针在保证回光功率前提下，减少了对流体的干扰，提高了测量性能。同时分析了探针刺穿气泡的过程，利用ZEMAX建模研究了探针刺穿气泡的响应特性，为深入研究光纤探针传感器刺穿机理和信号的后处理提供了必要的理论依据。其次，针对单支探针测量的局部性、片面性以及多支探针测量的阻流问题，提出了光纤探针传感器阵列结构，通过FLUENT数值模拟不同工况下的油气水三相流流动状态，考察了垂直上升管中油气水三相流气相分布特征，同时利用两个优化指标，对阵列结构的径向位置和角度位置进行优化，实现了对阵列光纤探针传感器的结构优化设计。最后，基于以上对单支探针和探针阵列的优化，设计了用于测量油气水三相流含气率的阵列光纤探针传感器，搭建了含气率测量实验平台进行实验，对不同气流量、不同总流量的工况下进行油气水三相流气相信号采集处理，获得不同工况下的含气率信息，并与实际含气率进行了对比分析。