针对油井井下恶劣的测量环境和流体流动的复杂性,传统的持气率测量方法测量效果较差。随着光纤传感技术的兴起和发展,可利用光纤探针传感器进行井下持气率的测量。为提高光纤探针传感器测量持气率的可靠性和灵敏性,本文对光纤探针传感器进行了优化设计。为解决单光纤探针只能测量局部持气率的局限性问题,本文设计了阵列光纤探针并进行了优化。首先,针对井下油气水三相流持气率难易精确测量难题,设计并优化光纤探针传感器。光纤探针主要由传输光路和探针敏感头组成。从回光强度分布和回光功率大小两方面实现对敏感头材质和形状的优化,从刺穿气泡能力和回光功率两方面优化了敏感头尖端角度。针对传统耦合光路传光效率低的问题,提出了光纤束光路,根据所用光纤直径的大小设计了16种光纤束光路,并实现对光路的优化。其次,针对单光纤探针传感器只能测得其周围局部持气率的局限性问题,研究了阵列光纤探针方法。利用Fluent仿真分析了不同总流量下气相分布规律。基于Zemax建立了探针刺穿气泡模型,仿真分析了探针以不同方式刺穿气泡时对应的响应特性变化规律。据此提出了阵列光纤探针并设计了6种结构,从探针获取气相信息能力和对流体的干扰影响两方面对阵列结构进行了优化设计。最后,研制了单光纤探针传感器、阵列光纤探针传感器和持气率测井仪并进行了可行性试验。基于优化后的结构参数研制了蓝宝石光纤探针,并对单光纤探针进行了抗油污验证实验。以单光纤探针为核心,基于优化后的阵列结构研制了阵列光纤探针和测井仪,在油气水三相流模拟装置上进行了动态实验,并分析了实验得到的持气率与真实含气率的误差。