随着我国常规石油储量和产量的持续下降,稠油的地位日益突出,因稠油粘度高,密度大给开采带来极大的困难。目前主要开采方法是稠油热采法,即向注汽井注入高温高压蒸汽,由于蒸汽中含有较高的热量,可使油层温度升高,降低稠油粘度,减少流层阻力,使稠油易于流动,然后利用常规方法加以开采。为了有效掌握油层的位置及油层的分布,明确各部分油层对注入蒸汽的吸收情况,提高采收率及节约能源,必须对注汽井蒸汽热效特性的关键参数蒸汽干度进行在线实时准确的测量。本文从水和水蒸汽的物性原理出发,考察了一定温度和压力条件下,水蒸气的介电常数和折射率与干度的对应关系,并利用该对应关系构建了相应的两种干度反演模型。首先设计了基于光子晶体光纤表面等离子体共振（PCF-SPR）的折射率传感结构,并对折射率测量灵敏度进行仿真分析,在理论上证实了该反演模型的可行性。其次对电容法干度测量模型进行误差分析,据此提出了多层筒式电容传感结构测量蒸汽干度的方案,并设计制作了电容法蒸汽干度传感器样机进行现场试验,实现了注汽井蒸汽干度的准确测量。从饱和蒸汽的物理属性出发,分析了蒸汽在不同温度和压力下的粘度、比容、介电常数、压缩系数等参数特性,以及注汽强度和速度对蒸汽干度的影响。重点研究了蒸汽干度与温度、压力、介电常数及折射率的内在联系,证实蒸汽的密度和介电常数随干度的精细变化规律,为折射率法和电容法蒸汽干度测量模型提供了理论支撑。构建了介电常数和干度测量理论模型,采用电容法分析了极板结构对测量精度的影响,提出了多层筒式电容结构。从待测介质的物理参数及分布特性出发,分析了该结构的测量误差,确立了模型的常量因子k,当温度误差为0.1℃,k=1/2时模型测量误差小于4%。同时,构建了折射率和干度测量理论模型,仿真计算了蒸汽干度与折射率的对应关系,并采用PCF-SPR技术测量折射率,设计了外围大通道Ag膜PCF-SPR传感结构,其折射率分辨率为1.538?10^-5RIU。依据介电常数蒸汽干度反演模型,采用多层筒式电容传感结构,设计制作了注汽井井下蒸汽干度测量系统。综合考虑传感器的承压和密封工艺,采用四层筒式电容结构提高测试精度。对精密电容测试电路进行深入研究,对比分析了双谐波法、电容芯片直接测量法和三次频率法的优缺点,为保证系统稳定性和一致性采用频率三次测量法,有效滤除系统杂散电容和电磁干扰,并设计制作了检测和采集电路,编写了上位机软件对数据进行分析处理,经测试系统的电容测量精度达到0.01p F。对蒸汽干度测量系统进行室内实验和数据分析,对温度、压力、电容传感器进行标定,完成了传感器的校准。在辽河油田齐40-22-K36和锦99-杜H5等注汽井进行现场试验,经过数据处理后测得注汽井蒸汽干度大部分在0.55～0.65区间变化,与油田人工取样法测量结果基本一致,测试系统误差在5%以内,实现了注汽井蒸汽干度的在线测量。