氧氣傳感器的工作原理與干電池相似，傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。其基本工作原理是：在一定條件下(高溫和鉑催化)，利用氧化鋯內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度差，產(chǎn)生電位差，且濃度差越大，電位差越大。大氣中氧的含量為21%，濃混合氣燃燒后的廢氣實(shí)際上不含氧，稀混合氣燃燒后生成的廢氣或因缺火產(chǎn)生的廢氣中含有較多的氧，但仍比大氣中的氧少得多。 在高溫及鉑的催化下，帶負(fù)電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內(nèi)外表面上。由于大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣多，套管上與大氣相通一側(cè)比廢氣一側(cè)吸附更多的負(fù)離子，兩側(cè)離子的濃度差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)套管廢氣一側(cè)的氧濃度低時(shí)，在電極之間產(chǎn)生一個(gè)高電壓(0。6～1V)，這個(gè)電壓信號(hào)被送到ECU放大處理，ECU把高電壓信號(hào)看作濃混合氣，而把低電壓信號(hào)看作稀混合氣。根據(jù)氧傳感器的電壓信號(hào)，電腦按照盡可能接近14.7：1的理論*佳空燃比來(lái)稀釋或加濃混合氣。因此氧傳感器是電子控制燃油計(jì)量的關(guān)鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時(shí)(端部達(dá)到300°C以上)其特性才能充分體現(xiàn)，才能輸出電壓。它在約800°C時(shí)，對(duì)混合氣的變化反應(yīng)*快，而在低溫時(shí)這種特性會(huì)發(fā)生很大變化。

氧氣傳感器的兩個(gè)電極的輸出電壓跟尾氣中氧與大氣中氧的相對(duì)值呈很好的相關(guān)性。然而這個(gè)電壓跟氧含量的關(guān)系并不是線性的。氧傳感器在*佳空燃比附近*敏感（很小的空燃比變化便會(huì)產(chǎn)生很大的輸出電壓變化），而在空燃比過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)不敏感。低電壓對(duì)應(yīng)高氧含量，所以0.1－0.4伏的電壓輸出表明稀混合比，而0.6－1.0伏代表濃混合比。當(dāng)氧傳感器輸出電壓為0.45伏的時(shí)候，空燃比*佳。