中红外光谱传感技术具有很长的历史,在物理化学传感领域都有广泛的应用。近几十年来随着光学传感器技术的发展,中红外光谱传感技术得到了国内外学术界越来越高的重视。光谱吸收法的原理是基于不同物质由于分子内部振动和转动的特异性,在不同频率处存在各自的吸收谱线。通过测量吸收谱线的位置和强度,可以同时确定物质的种类和浓度。光谱吸收法具有灵敏度高、气体针对性强、响应速度快和无损检测等特点。而对于很多物质,中红外波段相比于近红外波段在吸收峰的数量与强度上都具有明显优势。所以宽谱低损耗的红外波导在光谱传感领域将有很好的应用前景。空芯光纤作为一种常见的红外波导,相对于其他实芯光纤具有更宽的传输波段,并且具有相对较低的传输损耗。在气体传感领域,空芯光纤可以同时作为波导与吸收腔,具有很多优点。空芯光纤的参数与传感系统的性能有直接的关系,然而现阶段研究尚无系统的理论分析和优化仿真。本文利用数学建模的方法对光学波导式吸收腔系统的有效光程率(EPLR)进行了初步的理论分析。计算了吸收腔系统的EPLR与外壁折射率、膜厚孔径比以及最大入射角等参数的关系。验证了空芯光纤作为波导式吸收腔具有高EPLR值的特性。在此基础上,本文建立了一种数学模型同时考虑有效光程率、空芯光纤的损耗和系统信噪比。从理论上分析了光纤的长度、内径、目标气体浓度以及输入光场能量分布等因素对传感系统信号输出强度和灵敏度的影响。给出的最优化参数对提高系统灵敏度和测试系统的误差补偿提供了重要参考。为了验证理论模型的可靠性,在实验室环境中搭建的空芯光纤气体红外传感系统。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)与DTGS(deuterated triglycine sulfate detectors)作为光路系统；Ag/AgI空芯光纤作为波导与气室；国家标准配气仪作为定标气体输出；设计制作了光路气路物理接口。根据二氧化碳在4.25μm波长的特征峰,对5ppm～70ppm的多组不同浓度的二氧化碳进行定量传感分析。证明了该传感器可应用于ppm量级的低浓度二氧化碳气体测量。根据甲烷在3.3μm波长的特征峰,验证了在高浓度测量区域,利用本文的理论模型可以进行结果修正与补偿,以及应该适当选取系统SNR值,减小系统成本等理论仿真结果。为理论模型的可靠性提供了重要的支持。