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：Ｏ_２　＋　４Ｈ^＋　＋　４ｅ^－　→２Ｈ_２Ｏ

阳极：２Ｐｂ　＋　２Ｈ_２Ｏ　→２ＰｂＯ　＋　４Ｈ^＋　＋　４ｅ^－　

电池总反应：Ｏ_２　＋　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：

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：

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。