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其核心元件是多孔的ZrO2陶瓷管，它是一種固態電解質，兩側面分別燒結上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，由于兩側氧濃度不同，高濃度側(陶瓷管內側4)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結合形成氧離子O2-，使該電極帶正電，O2-離子通過電解質中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(廢氣側)，使該電極帶負電, 即產生電勢差。

當空燃比較低時(濃混合氣)，廢氣中的氧較少，因此陶瓷管外側氧離子較少，形成1.0V左右的電動勢；
當空燃比等于14.7時，此時陶瓷管內外兩側產生的電動勢為0.4V~0.5V， 該電動勢為基準電動勢；
當空燃比較高時（稀混合氣），廢氣中氧含量較高，陶瓷管內外的氧離子濃度差較小，所以產生電動勢很低，接近為零。