其基本工作原理是:在必需情况下(高温和铂催化)，借助于氧化锆内外两侧的氧浓度差，造成电位差，且浓度差越大，电位差越大。
氧传感器借助于了Nernst原理。其核心元件是多孔的ZrO2陶瓷管，它是一种固态电解质，两侧面分别烧结上多孔铂（Pt）电极。在必需温度下，因为两侧氧浓度不同，高浓度侧(陶瓷管里侧4)的氧分子被吸附在铂电极上与电子（4e）结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧(废气物侧)，使该电极带负电， 即造成电势差。当空燃相当低时(浓混合气)，废气物中的氧较少，因而陶瓷管外侧氧离子较少，形成1.0V上下的电动势；当空燃比等于14.7时，此时陶瓷管内外两侧造成的电动势为0.4V~0.5V， 该电动势为基准电动势；当空燃相对高时（稀混合气），废气物中氧含量较高，陶瓷管内外的氧离子浓度差较小，所以造成电动势很低，接近为零。
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