氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢來測定氧含量的傳感器，其核心的氧化鋯管安置在一微型電爐內(nèi)，位于整個探頭的頂端。
氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。因其這一特性，在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時，它便是一個典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當(dāng)煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0（20.6%O2）時，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個電子形成2個氧離子，發(fā)生如下電極反應(yīng)：
O（P0）+4e-→2O-2
氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng)：
2O-2 →O（P0）+4e-
由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢又導(dǎo)致氧
離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個與氧濃差有關(guān)的電勢信號E,該電勢信號符合"能斯特"方程：
E=（RT/4F）Ln（P0 /P） （1）
式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管溫度（K）, P0是空氣氧含量（20.6%O2）, P 是煙氣含量。由（1）式可見，在一定的高溫條件下（一般）600℃），一定的煙氣氧含量便會有一對應(yīng)的電勢輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢值在高溫區(qū)域內(nèi)對應(yīng)氧含量。