摘要：针对矿井瓦斯(甲烷)气体浓度连续、安全、原位准确的监测需求,设计一种全光路激光甲烷传感探头。甲烷探头的体积仅为φ4 cm×8 cm(圆柱体),外部为不锈钢外壳。为确保测量过程的安全性,探头内部由全光学元件组成,而无相关电学结构,利用三面反射镜构成光路系统,探头的吸收路径约为20 cm,所设计的甲烷探头具有灵敏度高、鲁棒性强以及安全性高的优点。为验证甲烷探头的性能,在实验室搭建一套基于激光探头的甲烷浓度探测系统,使用中心波长为1653.7 nm的分布式反馈半导体(distributed feedback laser,DFB)作为光源,结合波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy,WMS)和直接吸收光谱(direct absorption spectroscopy,DAS)的技术,实现甲烷气体的高灵敏度探测。实验结果表明,常温常压下在低浓度(0~1%)测量误差小于±5.0×10^(-4),高浓度测量误差小于真值的±5%;该传感器的探测极限(1σ标准)为68 ppm且响应时间约为10 s;在较长时间内,不同距离(1 km、2 km、5 km)测量的甲烷气体浓度基本一致。上述实验验证了设计的甲烷传感探头可对甲烷气体进行准确探测,能够应用于矿井瓦斯气体的原位监测。