當氧化鋯電解質兩側氧離子存在濃度差時，電極的兩側產生了一個信號電壓Us。

傳感器的外側是廢氣，氧離子濃度低，內側是空氣，氧離子濃度高。從而在氧化鋯電解質的兩側產生了信號電壓。濃度差越大，產生的電壓越高。

氧氣傳感器中毒是經常出現的且較難防治的一種故障，尤其是經常使用含鉛汽油的汽車，即使是新的氧傳感器，也只能工作幾千公里。如果只是輕微的鉛中毒，接著使用一箱不含鉛的汽油，能氧傳感器表面的鉛，使其恢復正常工作。但往往由于過高的排氣溫度，而使鉛侵入其內部，了氧離子的擴散，使氧傳感器失效，這時只能更換了。

另外，氧氣傳感器發生硅中毒也是常有的事。一般來說，汽油和潤滑油中含有的硅化合物燃燒后生成的二氧化硅，硅橡膠密封墊圈使用不當散發出的硅氣體，都會使氧傳感器失效，因而要使用好的燃油和潤滑油。修理時要正確選用和安裝橡膠墊圈，不要在傳感器上涂敷制造廠規定使用以外的溶劑和防粘劑等。

通過觀察氧氣傳感器*部位的顏色也可以判斷故障：

①淡灰色*：這是氧傳感器的正常顏色；

②白色*：由硅污染造成的，此時必須更換氧傳感器；

③棕色*：由鉛污染造成的，如果嚴重，也必須更換氧傳感器；

④黑色*：由積碳造成的，在排除發動機積碳故障后，一般可以自動氧傳感器上的積碳。