氧传感器实质上是氧电池，阴极为氧电极，阳极为适当的金属。因氧需借助金属放电，通常这种氧电池的阴极为金，阳极为铅，内充弱酸电解液，并以覆膜与样气分隔，氧能通过覆膜进入传感器而电解质不外溢。在金铅电极处，氧分子产生化学反应，这个化学反应过程由电荷的收集而产生可测量的电流。其反应式如下：
阴极:o2+4h++4e-→2h2o
阳极:2pb + 2h2o→2pbo + 4h++ 4e-
电池总反应:o2+ 2pb→2pbo
覆膜原电池式氧传感器是一种电流型测量器件,它可用扩散电流模型来进行描述,其工式如下：
i=nfad/l·c…………………(1)
式中:
n为反应电子数
f为法拉第常数
a为阴极表面积
d为氧扩散系数
l为透气膜外表至阴极表面的距离
c为溶氧浓度
当电池的材料、结构确定时,在一定温度下,式(1)可简化为：
i=k·c…………………(2)
由式（2）可以看出，传感器输出的电流与氧浓度成正比,为线性元件。