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氧传感器的工作原理与干电池相似，传感器中的氧化锆元素起类似电解液的作用。其基本工作原理是：在一定条件下(高温和铂催化)，利用氧化锆内外两侧的氧浓度差，产生电位差，且浓度差越大，电位差越大。大气中氧的含量为21％，浓混合气燃烧后的废气实际上不含氧，稀混合气燃烧后生成的废气或因缺火产生的废气中含有较多的氧，但仍比大气中的氧少得多。

氧传感器由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对CO、HC和NOx的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向ECU发出反馈信号，再由ECU控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。

氧传感器在电子控制的发动机系统中，氧传感器检测发动机所排废气中氧的含量，向ECU提纲空燃比的反馈信号，进行喷油量的闭环控制。氧传感器工作失常会影响电脑ECU对混合气空燃比精确的控制，此时发动机易出现怠速不稳、加速不良、尾气超标和油耗增加等现象