通风不良或密闭的环境中对易燃易爆和有毒有害气体的监测对保障人身健康和安全具有非常重要的意义,在此类场合中一般采用技术比较成熟的电式气体传感器,但电式气体传感器在使用过程中会有产生电火花并引发爆炸的可能,而且此类气体传感器往往存在容易老化和中毒的缺点。由于光纤传感器采用光而不是电作为信息载体,所以不存在产生电火花的安全隐患问题。正是因为光纤气体传感器具有安全方面的独特优点,而且适宜在各种恶劣的环境条件下工作,所以光纤气体传感器的研究和开发逐渐成为目前气体传感器研究的热点。本文主要针对一氧化碳(CO)气体,对光纤气体传感器的理论、建模和设计实现进行研究。首先,基于气体分子吸收光谱理论和比尔-朗伯定律,分析了差分吸收型气体传感器的数学模型和基于窄带光源的谐波检测光纤气体传感器的数学模型,在此基础上提出了基于谐波检测的光纤气体传感器的数学模型的改进方法,即基于差分后谐波检测的光纤气体检测模型。此外,还对基于窄带光源的谐波检测光纤气体传感器进行了仿真研究。基于差分后谐波检测的光纤气体检测模型利用参考光路与检测光路光强的差分消去基波分量,对差分后的信号再进行二次谐波检测得出气体浓度。使用该方法提高了系统检出二次谐波分量的能力,同时有效地提高了系统的分辨率。根据上述理论分析,设计开发了基于差分后谐波检测的光纤传感器系统。在传感器光路系统设计中,提出了一种基于串联自聚焦透镜组的透射式气室。对基于串联自聚焦透镜组的透射式气室的数学模型进行了分析,并完成了气室结构的设计与开发。对于一般的基于自聚焦透镜组的透射式气室,通过增加吸收光程来获得更高灵敏度。但在对传感器尺寸有限定的场合不能任意加长气室,在这种情况下,可以将多对自聚焦透镜组串联使用,即采用基于串联自聚焦透镜组的透射式气室的结构。采用这种结构的气室可以实现在不增加气室长度的情况下使吸收光程增长。根据光电微弱信号检测的原理以及差分后谐波检测的光纤气体检测模型,完成了光电微弱信号检测电路系统设计。设计实现了基于差分后谐波检测的微弱信号处理电路、前置放大电路、差分电路、调制电路和光源温度控制电路及电流驱动电路等。最后对传感器样机进行了系统实验研究,实验结果表明基于差分后谐波检测原理和串联自聚焦透镜组的透射式气室结构的光纤气体传感器具有良好的检测效果。