氧传感器的工作原理是基于氧离子导电性。传感器内部有一个电解质膜，通常采用稳定的氧化锆材料制成，在两侧涂有不同的金属电极。一侧与排气管内的废气接触，另一侧与大气接触。当两侧氧气浓度不同时，氧气会通过电解质膜移动，产生电势差，该电势差与气体中的氧浓度差成正比。这个电势差通过内部电路转化为电信号输出，以此来反映混合气的空燃比状态。传感器的这一特性使得它可以被用作汽车排放控制系统中的关键组件。