氧化锆式氧感测器的工作原理如下：锆管的陶瓷体是多孔体，氧气可以渗入该多孔体固体电解质内 。温度较高时，氧气发生电离。只要锆管内（大气）外（废气）侧氧含量不一样，存在氧浓度差，则在固体电解质内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，使锆管形成微电池，在锆管铂极间产生电压。当混合气稀时，排气中氧含量多，两侧氧浓度差小，产生的电压小；当混合气浓时，排气中氧含量少，CO、CH、NOx的含量较多，这些成分在锆管外表面的铂的催化作用下，与氧发生反应，消耗废气中残余的氧，使锆管外表面氧浓度变成零，这样使得锆管内、外两侧的氧浓度差突然增大，两极间产生的电压也增大。

因此，氧感测器产生的电压在过量空气係数λ=1上下产生突变，λ>1时，氧感测器输出电压几乎为零，λ<1时，氧感测器输出电压接近1V。在发动机混合气闭环控制过程中，氧感测器相当于一个浓度开关，根据混合气空燃比的变化向ECU输入宽度变化的电脉冲信号，ECU根据氧感测器反馈信号，控制喷油量，使排气中有害气体的成分减到最少。

氧化锆式氧感测器主要由氧化锆（ZrO2）、和护套组成。氧化锆式氧感测器有加热式的和非 加热式的两种。加热式的氧感测器在锆管中间有加热棒， 锆管是由陶瓷体製成、固定在带有安装螺纹的固定套中。导人排插入排气管中，它的内表面与空气相通，外表面与废气相通。锆管的内、外表面覆盖一层多孔性铂膜作电极，为防止废气腐蚀铂膜，在锆管外表面的铂膜层上覆盖一层多孔陶瓷层，并有一个防护套管，套管上开有槽口或孔。氧感测器的接线端有一个金属护套，上面开有孔，使锆管内表面与空气相通，电线将锆管内表面铂极经绝缘套从感测器引出。

结构简单、回响迅速、维护容易、使用方便、测量準确。运用该感测器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生产周期，节约能源。

其缺点是这种特性只有在温度较高时（600℃左右）才充分体现出来。在低温时，这种特性会发生很大变化。