光纤传感具有反应迅速、高效安全、使用简单的特点,在物理、生化等领域均有广泛的应用。保偏光纤由于其高双折射、低偏振色散的性质可以作为传感的优良材质。相比其他干涉原理,Mach-Zehnder因其具有简单而稳定的特性更适用于光学干涉传感中。本文以Mach-Zehnder干涉原理为基础,在实验中利用保偏光纤设计并制作了三种保偏光纤模式干涉结构,针对保偏光纤中模式干涉理论进行了讨论,实现了温度、应变、折射率等物理量的传感测量,表征了这种干涉模式的传感特性。本文从以下几个方面进行了研究:（1）设计了一种基于保偏光纤温度、折射率测量的级联凸锥传感结构。以保偏光纤模式干涉理论为依据建立了理论温度灵敏度表达式,通过实际温度传感实验论证了理论的可行性。制作并优化出双凸锥结构进行折射率传感实验,在实验中获得了168.73 d B/RIU和17.656 nm/RIU的折射率灵敏度。（2）设计了一种凸凹锥结合结构,通过叠加的倏逝场效应以实现折射率传感增敏,实验结果表明:该种结构的折射率光强和波长灵敏度分别为310.40 d B/RIU和45.637 nm/RIU,由环境温度变化带来的交叉串扰小于1.4×10^-4。高于绝大多数光强度型折射率传感器。（3）设计了一种基于保偏光纤应变、温度同步测量的优化双凹锥传感结构,分析了凹锥中部球状纤芯对透射光谱消光比的影响。同比于相同参数下的双凹锥结构,该种结构具有更大的消光比和更低的透射损耗。传感实验表明所提出的这种结构的应变和温度灵敏度分别为37.13 pm/με和75.34 pm/℃。应变和温度测量的相对误差均小于1×10^-3%,为实现应变、温度同步测量提供了一种新方案。