氧化鋯式氧傳感器的基本元件是氧化鋯陶瓷管（固體電解質(zhì)），亦稱鋯管。鋯管固定在帶有安裝螺紋的固定套中，內(nèi)外表面均覆蓋著一層多孔性的鉛膜，其內(nèi)表面與大氣接觸，外表面與廢氣接觸。氧化鋯傳感器的接線端有一個(gè)金屬護(hù)套，其上開有一個(gè)用于鋯管內(nèi)腔與大氣相通的孔；電線將鋯管內(nèi)表面鉑極經(jīng)絕緣套從此接線端引出。
氧化鋯探頭在溫度超過300℃后，才能進(jìn)行正常工作。早期使用的氧傳感器靠排氣加熱，這種傳感器須在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后才能開始工作，它只有一根接線與ECU相連。現(xiàn)在，大部分汽車使用帶加熱器的氧傳感器，這種傳感器內(nèi)有一個(gè)電加熱元件，可在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的20-30s內(nèi)迅速將氧傳感器加熱至工作溫度。它有三根接線，一根接ECU，另外兩根分別接地和電源。
鋯管的陶瓷體是多孔的，滲入其中的氧氣，在溫度較高時(shí)發(fā)生電離。由于鋯管內(nèi)、外側(cè)氧含量不一致，存在濃差，因而氧離子從大氣側(cè)向排氣一側(cè)擴(kuò)散，從而使鋯管成為一個(gè)微電池，在兩鉑極間產(chǎn)生電壓。當(dāng)混合氣的實(shí)際空燃比小于理論空燃比，即發(fā)動(dòng)機(jī)以較濃的混合氣運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣中氧含量少，但CO、HC、H2等較多。這些氣體在鋯管外表面的鉛催化作用下與氧發(fā)生反應(yīng)，將耗盡排氣中殘余的氧，使鋯管外表面氧氣濃度變?yōu)榱悖@就使得鋯管內(nèi)、外側(cè)氧濃差加大，兩鉛極間電壓陡增。因此，鋯管氧傳感器產(chǎn)生的電壓將在理論空燃比時(shí)發(fā)生突變：稀混合氣時(shí)，輸出電壓幾乎為零；濃混合氣時(shí)，輸出電壓接近1V。
要準(zhǔn)確地保持混合氣濃度為理論空燃比是不可能的。實(shí)際上的反饋控制只能使混合氣在理論空燃比附近一個(gè)狹小的范圍內(nèi)波動(dòng)，故氧傳感器的輸出電壓在0.1-0.8V之間不斷變化（通常每10s內(nèi)變化8次以上）。如果氧傳感器輸出電壓變化過緩（每1Os少于8次）或電壓保持不變（不論保持在高電位或低電位），則表明氧傳感器有故障，需檢修。
