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油中溶解气体分析是油浸式电力变压器状态监测的重要手段,而准确、及时的获取变压器故障特征气体组分及浓度是实施油中溶解气体在线监测分析的关键。气体传感检测技术作为油中溶解气体分析的核心,将直接影响检测分析结果的有效性和准确性。气体传感阵列技术是状态监测智能传感的重要组成部分,可简化变压器故障特征气体监测复杂的检测结构和流程,而二氧化锡（SnO2）基气体传感器是变压器油中溶解主要故障特征气体（H2、C2H2、CO等）常用传感元件,金属掺杂可明显改善其检测特性。目前对SnO2基气敏材料的金属掺杂改性气敏机理尚不完善,缺乏基于气体传感阵列的变压器故障特征混合气体检测特性的相关研究。论文以H2、CO和C2H2为检测对象,基于第一性原理系统研究SnO2基敏感材料的金属掺杂改性气敏机理;结合有限元仿真、微机电加工和水热合成法研制气体传感阵列;测试气体传感阵列对变压器故障特征气体的检测特性,验证和完善其金属掺杂改性气敏机理;研究气体传感阵列对混合气体的定性识别和定量估计方法。研究成果对提升变压器故障特征气体检测水平具有重要的理论和实际意义,论文主要的研究工作如下:（1）系统研究SnO2基金属掺杂改性气敏机理,为气体传感阵列敏感材料选取提供理论指导。建立纯的和金属银（Ag）、金（Au）、钴（Co）、铬（Cr）、铜（Cu）、铟（In）、钼（Mo）、镍（Ni）、钯（Pd）、铂（Pt）、钛（Ti）、钨（W）、锌（Zn）等常见13种金属掺杂的Sn12O24（110）面的掺杂模型及其对H2、CO和C2H2的气体吸附模型,计算分析各模型的掺杂形成能、气体吸附能、原子构型、能带结构、差分电荷密度、电子态密度和电荷布局分析等微观参量,发现:掺杂金属原子的d电子轨道与SnO2原体系发生强烈杂化反应形成新的态密度峰,减小了掺杂体系的带隙宽度;H2吸附在Ag和Cu掺杂SnO2表面时电荷转移量最多（0.20 e）,Pd掺杂体系对CO的电荷转移量最多（0.25 e）,C2H2则在Ti和Zn掺杂体系表面的电荷转移量最多（0.26 e）;综合考虑材料带隙宽度、气体吸附能和转移电荷量选取纯的和金属Ag、Au、Cu、Mo、Pd、Pt、Zn掺杂的SnO2作为气体传感阵列的敏感材料。（2）金属掺杂SnO2基气体传感阵列基片的仿真设计与研制。采用有限元方法仿真分析传感单元不同加热电极材料（Au、Cu和Pt）和硅基结构（底部刻蚀、四周刻蚀和悬窗结构）的热学特性,发现:导热系数最低的Pt加热电极传感层的平均温度最高（336.01℃）,同时悬窗硅基结构可大幅提升中心平均温度和中心-边缘温差,具备低功耗（16.71 mW,350℃）和快响应（～100 ms）的热学特性;基于水热法制备气体传感阵列的敏感材料,表征结果说明:成功制备了金红石型SnO2基不同金属掺杂材料,形貌结构均为由纳米片交错而成的纳米花;通过银浆固定、引线压焊和液滴引导涂覆法,制得边长为27 mm的方形8单元气体传感阵列基片。（3）测试气体传感阵列对单一变压器油中故障特征气体的检测特性,完善和验证第一性原理计算结果。基于实验室测试平台,测试所制金属掺杂SnO2基气体传感阵列对H2、CO和C2H2的温度特性、浓度特性和响应-恢复特性,可得:金属掺杂可不同程度降低SnO2的工作温度、提高对气体的浓度特性（线性检测区间和有效检测极限）和加快响应速度,但对选择性的改善并不理想,其中Ag、Pd和Zn掺杂SnO2可分别实现对0.5μL/L以下浓度的H2、CO和C2H2有效检测;对比微观仿真结果和宏观检测特性,建立以带隙宽度与温度特性、气体吸附能与响应-恢复特性、电荷转移量与浓度特性为关联的SnO2基金属掺杂改性机理,验证了第一性原理计算方法的准确性和可行性,完善了SnO2基金属掺杂改性气敏机理。（4）气体传感阵列对混合气体的定性识别和定量估计方法。基于气体传感阵列开展H2、CO和C2H2的混合气体响应测试,建立气体传感阵列对H2、CO和C2H2混合气体响应的样本数据库,通过邻近算法（kNN）和数据拟合方法分析其响应规律,结果表明:传感单元对混合气体的响应呈现非线性特征,三元幂函数对其拟合效果最佳（R2>0.98）;基于神经网络分别建立用于混合气体定性识别和定量估计分析的深度置信神经网络（DBN-DNN）,结果表明:DBN-DNN分类模型可简化数据预处理过程,其分类准确率达97.44%;对混合气体的定量估计平均相对误差仅为5.37%,有效的抑制了气体传感器检测混合气体时存在的交叉敏感现象。本文的研究成果为基于气体传感阵列的变压器油中溶解多组分故障特征气体在线监测奠定了基础。