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)生電動勢。當(dāng)套管廢氣一側(cè)的氧濃度低時，在電極之間產(chǎn)生一個高電壓(0。6～1V)，這個電壓信號被送到ECU放大處理，ECU把高電壓信號看作濃混合氣，而把低電壓信號看作稀混合氣。根據(jù)氧傳感器的電壓信號，電腦按照盡可能接近14.7：1的理論*佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。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(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，對混合氣的變化反應(yīng)*快，而在低溫時這種特性會發(fā)生很大變化。

氧氣傳感器的兩個電極的輸出電壓跟尾氣中氧與大氣中氧的相對值呈很好的相關(guān)性。然而這個電壓跟氧含量的關(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產(chǎn)生很大的輸出電壓變化），而在空燃比過濃或過稀時不敏感。低電壓對應(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伏的時候，空燃比*佳。