光學溶解氧傳感器可測量氧氣與某些發光染料之間的相互作用。當暴露于藍光時，這些染料變得激發（電子獲取能量）并隨著電子返回其正常能量狀態而發光。當存在溶解的氧氣時，由于氧氣分子與染料相互作用，返回的波長受到限制或改變。測得的效果與氧氣5的分壓成反比。盡管這些光學DO傳感器中的一些被稱為熒光傳感器，但該術語在技術上是不正確的。這些傳感器會發出藍光，而不是紫外線，因此通常稱為光學或發光DO傳感器。光學溶解氧傳感器可以測量發光強度或壽命，因為氧氣會同時影響兩者。

光學DO傳感器由半透膜，傳感元件，發光二極管（LED）和光電探測器3組成。感測元件包含固定在溶膠-凝膠，干凝膠或其他基質中的發光染料。染料暴露于LED 3發出的藍光時會發生反應。一些傳感器還將發出紅光作為參考，以確保準確性5。該紅光將不會引起發光，而只會被染料7反射回來。染料在藍光下的強度和發光壽命取決于水樣23中的溶解氧量。當氧氣穿過膜時，它與染料相互作用，從而限制了發光3的強度和壽命。返回的發光強度或壽命由光電探測器測量，并可用于計算溶解氧濃度。

溶解氧的濃度（通過其分壓測量）與發光壽命成反比，如Stern-Volmer公式所示：

I o / I = 1 + k q * t 0 * O 2
I o =無氧條件下染料的發光
強度或壽命I = 有氧條件下的發光強度或壽命
k q =猝滅速率系數
t 0 =染料的發光壽命
O 2 =氧氣濃度（作為分壓）
此公式精確地適用于低溶解氧濃度7。在高濃度下，此測量是非線性的23。這種非線性來自氧氣在染料25的聚合物基體中相互作用的方式。在聚合物中，溶解氣體顯示出與亨利定律（確定分壓）25的負偏差。這意味著更高濃度的染料基質中的氧溶解度將遵循修改后的Stern-Volmer公式：

我Ó / I = 1 + AO 2 + BO 2 /（1 + b0的2）
我Ô =強度或染料的發光的壽命沒有氧氣
I =強度或氧存在發光壽命
A，B，B =斯特恩-沃爾默和非線性溶解度模型淬滅常數
O 2 =氧氣濃度（作為分壓）
使用此方程式需要輸入特定于每個新傳感器蓋或更換傳感器蓋5的預定傳感器常數（I o，A，B，b）。

光學溶解氧傳感器往往比其電化學對應物更準確，并且不受硫化氫或其他可能滲透到電化學溶解氧膜7的氣體的影響。它們還能夠精確測量非常低濃度的溶解氧3。

光學DO傳感器具有zui低的維護要求，因此是長期監控程序的理想選擇。他們可以進行幾個月的校準，并且幾乎沒有（如果有）校準漂移。這些溶解氧傳感器在進行測量時也不需要任何預熱時間或攪拌。在很長一段時間內，染料會降解，因此需要更換傳感元件和膜，但是與電化學傳感器膜的更換相比，這種更換非常少見。與強度測量傳感器相比，發光壽命測量傳感器受染料降解的影響較小，這意味著即使發生某些光降解，它們仍將保持其準確性。

然而，與電化學溶解氧傳感器7、14相比，光學溶解氧傳感器通常需要更多的功率并且花費2-4倍的時間來獲取讀數。這些傳感器還嚴重依賴于溫度7。發光強度和壽命都受環境溫度23的影響，盡管大多數傳感器將包括一個熱敏電阻來自動校正數據。