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傳感器的作用是測定發動機燃燒后的排氣中氧是不是過剩的信息，即氧氣含量，并把氧氣含量轉換成電壓信號傳遞到發動機計算機，使發動機能夠實現以過量空氣因數為目標的閉環調節；確保三元催化轉化器對排氣中的碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化合物（NOX）三種污染物基本都有最大的轉化效率，最大程度地實行排放污染物的轉化和凈化。

其一般工作原理是：在一定情況下，借助于氧化鋯內外兩側的氧濃度差，造成電位差，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物實際上不含氧，稀混合氣燃燒后生成的廢氣物或因缺火造成的廢氣物中含有較多的氧，但仍比大氣中的氧少得多。 在高溫及鉑的催化下，帶負電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內外表層上。因為大氣中的氧氣比廢氣物中的氧氣多，套管上與大氣相通一側比廢氣物一側吸附更多的負離子，兩側離子的濃度差造成電動勢。

當汽車套管廢氣物一側的氧濃度低時，在氧傳感器電極之間造成一個高電壓（0.6～1V），這一電壓信號被送到汽車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。按照氧傳感器的電壓信號，電腦遵循盡最大的努力接近14.7：1的理論最佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。因而氧傳感器是電子調節燃油計量的關鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時（端部到了300°C以上）其特性才能充分體現，才能輸出電壓。它在約800°C時，對混合氣的變化反應最快，而在低溫時這樣的特性會發生非常大變化。