溶解氧指的是均匀地分散在水体或者其他液体介质中的以游离的氧分子形式存在的氧，其“溶解”形式区别于电解质在水体中由于水的电离作用下以离子形态溶解在水中，非结合态的氧元素以分子形式分布在水分子之中，如图所示。
氧分子在水体中的溶解度取决于空气的湿度、压力、环境温度和水体的盐度。当上述条件恒定且水体与大气中氧交换处于平衡时，水中溶解氧的浓度即为饱和溶解氧浓度。
随着空气湿度的提高，水体中的氧分子溶解度降低，反之空气湿度降低、氧分子的溶解度提高；空气压力与氧分子的溶解度的关系恰恰相反，压力越高，溶解度越高，压力越低，溶解度越低，因此饱和溶解氧浓度受到海拔高度的影响；环境温度越低，水体中可以溶解更多的氧气，反之温度升高会降低水体中的氧气的溶解度；水体中的盐度越高，氧分子的溶解度越低，盐度越低，氧分子的溶解度越高。
水体中溶解氧的测量具有不同的单位表达方式，分别为溶解氧浓度、氧分压和氧饱和度。溶解氧浓度顾名思义是水体中溶解氧的质量浓度，一般使用单位mg/L表示，在痕量氧测量中使用μg/L表示。氧分压使用单位hPa表示。氧饱和度指实际氧分压与同等条件下湿度饱和的空气中氧分压的比值。
在线溶解氧传感器主要包含两种测量原理：安培法和荧光法。
安培法又称为电流法或者覆膜法，采用电化学方法测量介质中的溶解氧浓度。通常覆膜法传感器的电极由金制的阴极和银制的阳极构成，金阴极又被称为工作电极，银阳极又被称为对电极。阴极和阳极共同固定在一个充满电解液的反应腔室中。两极之间外加一个直流电压。反应腔室附有一层覆膜与被测介质相隔离，不过溶解氧可以穿透这层覆膜。当这一测量单元浸入含有溶解氧的介质中时，覆膜内外两侧氧分压的压差会使溶解氧扩散穿透覆膜抵达阴极。氧分子在阴极上被还原成氢氧根离子(OH)；在阳极上，银被氧化成银离子(Ag*)(形成卤化银层)。阴极释放电子，阳极接收电子，形成回流电流。在恒定操作条件下，回流电流与介质中的溶解氧浓度成比例关系。
在安培法溶解氧传感器中，高阻抗、零电流的参比电极具有十分重要的作用。阳极上的溴化银或氯化银涂层会逐渐耗尽电解液中的溴离子或氯离子。使用传统结构的覆膜式传感器时，这种现象会加剧信号漂移。三电极结构消除了这一现象的影响：参比电极记录溴离子或氯离子的浓度变化，内部控制电路确保电极具有恒定电位。此测量原理的优点是明显提升了信号精度，显著延长标定间隔时间。
安培法溶解氧传感器的内部构造如图所示。
荧光法的全称是荧光淬灭法。传感器与介质之间有一层仅允许氧分子透过的覆膜，传感器的测量元件顶端包裹着含有标记分子的荧光层，在绿光照射下发射出对应的红光。标记分子若被氧分子附着，其发射的荧光强度将会减弱，产生淬灭效应。荧光信号的强度以及持续时间直接取决于溶解氧的浓度。如果介质中不含有溶解氧，荧光信号具有较高的强度以及较长的持续时间。反之，介质中含有溶解氧，则将减弱荧光信号的强度以及缩短其持续时间。变送器将光信号换算得到对应的溶解氧浓度单位。
荧光法溶解氧传感器的内部构造如图所示。
