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氧傳感器實質上是氧電池，陰極為氧電極，陽極為適當的金屬。因氧需借助金屬放電，通常這種氧電池的陰極為金，陽極為鉛，內充弱酸電解液，并以覆膜與樣氣分隔，氧能通過覆膜進入傳感器而電解質不外溢。在金鉛電極處，氧分子產生化學反應，這個化學反應過程由電荷的收集而產生可測量的電流。其反應式如下：

陰極：Ｏ_２　＋　４Ｈ^＋　＋　４ｅ^－　→２Ｈ_２Ｏ

陽極：２Ｐｂ　＋　２Ｈ_２Ｏ　→２ＰｂＯ　＋　４Ｈ^＋　＋　４ｅ^－　

電池總反應：Ｏ_２　＋　２Ｐｂ　→２ＰｂＯ

覆膜原電池式氧傳感器是一種電流型測量器件，它可用擴散電流模型來進行描述，其工式如下：

式中：

　ｎ　為反應電子數

　Ｆ　為法拉第常數

　Ａ　為陰極表面積

Ｄ　為氧擴散系數

　ｌ　為透氣膜外表至陰極表面的距離

ｃ　為溶氧濃度

當電池的材料、結構確定時，在一定溫度下，式（１）　可簡化為：

由式（２）可以看出，傳感器輸出的電流與氧濃度成正比，為線性元件。