溶解氧指的是均勻地分散在水體或者其他液體介質中的以游離的氧分子形式存在的氧，其“溶解”形式區別于電解質在水體中由于水的電離作用下以離子形態溶解在水中，非結合態的氧元素以分子形式分布在水分子之中，如圖所示。
氧分子在水體中的溶解度取決于空氣的濕度、壓力、環境溫度和水體的鹽度。當上述條件恒定且水體與大氣中氧交換處于平衡時，水中溶解氧的濃度即為飽和溶解氧濃度。
隨著空氣濕度的提高，水體中的氧分子溶解度降低，反之空氣濕度降低、氧分子的溶解度提高；空氣壓力與氧分子的溶解度的關系恰恰相反，壓力越高，溶解度越高，壓力越低，溶解度越低，因此飽和溶解氧濃度受到海拔高度的影響；環境溫度越低，水體中可以溶解更多的氧氣，反之溫度升高會降低水體中的氧氣的溶解度；水體中的鹽度越高，氧分子的溶解度越低，鹽度越低，氧分子的溶解度越高。
水體中溶解氧的測量具有不同的單位表達方式，分別為溶解氧濃度、氧分壓和氧飽和度。溶解氧濃度顧名思義是水體中溶解氧的質量濃度，一般使用單位mg/L表示，在痕量氧測量中使用μg/L表示。氧分壓使用單位hPa表示。氧飽和度指實際氧分壓與同等條件下濕度飽和的空氣中氧分壓的比值。
在線溶解氧傳感器主要包含兩種測量原理：安培法和熒光法。
安培法又稱為電流法或者覆膜法，采用電化學方法測量介質中的溶解氧濃度。通常覆膜法傳感器的電極由金制的陰極和銀制的陽極構成，金陰極又被稱為工作電極，銀陽極又被稱為對電極。陰極和陽極共同固定在一個充滿電解液的反應腔室中。兩極之間外加一個直流電壓。反應腔室附有一層覆膜與被測介質相隔離，不過溶解氧可以穿透這層覆膜。當這一測量單元浸入含有溶解氧的介質中時，覆膜內外兩側氧分壓的壓差會使溶解氧擴散穿透覆膜抵達陰極。氧分子在陰極上被還原成氫氧根離子(OH)；在陽極上，銀被氧化成銀離子(Ag*)(形成鹵化銀層)。陰極釋放電子，陽極接收電子，形成回流電流。在恒定操作條件下，回流電流與介質中的溶解氧濃度成比例關系。
在安培法溶解氧傳感器中，高阻抗、零電流的參比電極具有十分重要的作用。陽極上的溴化銀或氯化銀涂層會逐漸耗盡電解液中的溴離子或氯離子。使用傳統結構的覆膜式傳感器時，這種現象會加劇信號漂移。三電極結構消除了這一現象的影響：參比電極記錄溴離子或氯離子的濃度變化，內部控制電路確保電極具有恒定電位。此測量原理的優點是明顯提升了信號精度，顯著延長標定間隔時間。
安培法溶解氧傳感器的內部構造如圖所示。
熒光法的全稱是熒光淬滅法。傳感器與介質之間有一層僅允許氧分子透過的覆膜，傳感器的測量元件頂端包裹著含有標記分子的熒光層，在綠光照射下發射出對應的紅光。標記分子若被氧分子附著，其發射的熒光強度將會減弱，產生淬滅效應。熒光信號的強度以及持續時間直接取決于溶解氧的濃度。如果介質中不含有溶解氧，熒光信號具有較高的強度以及較長的持續時間。反之，介質中含有溶解氧，則將減弱熒光信號的強度以及縮短其持續時間。變送器將光信號換算得到對應的溶解氧濃度單位。
熒光法溶解氧傳感器的內部構造如圖所示。
