Кислородный датчик с диоксидом циркония представляет собой гальванический кислородный элемент с твердым электролитом в виде непроницаемой керамической пластины с диоксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия. С одной стороны элемент подвергается воздействию окружающего воздуха, с другой — закрыт.

На обеих сторонах керамического основания закреплены проницаемые платиновые электроды. Наружный платиновый электрод выполняет функцию катализатора, поддерживающего реакции в поступающих отработавших газах. Во избежание загрязнения в нем имеется пористый керамический слой. На внутреннюю сторону воздействует окружающий воздух, выполняющий роль эталона.

Работа датчика с циркониевым элементом основана на электрохимическом принципе, принципе Нернста. При нагреве керамического электролита до температуры 350°C и более он начинает пропускать ионы кислорода. Один пористый платиновый электрод подвергается действию окружающего воздуха, другой — отработавших газов, поэтому существует разница в количестве ионов с разных сторон электролита, которая должна устраниться.

В результате данной разности образуется поток ионов из атмосферного воздуха через керамику в отработавшие газы. Он и образует измеряемое напряжение. Кислородные датчики с циркониевым элементом не определяют наличие кислорода. Они генерируют напряжение, соответствующее разности его количества в атмосферном воздухе и отра¬ботавших газах. По мере изменения количества остаточного кислорода (всегда меньшего, чем эталонного значение) в отработавших газах изменяется выходное напряжение датчика с 0 до 1 В.

Стехиометрическому составу топливовоздушной смеси 14,7:1 соответствует выходное напряжение датчика 0,45-0,5 В. Крайне важно понимать, что даже самые небольшие отклонения от стехиометрического состава топливовоздушной смеси приводят к резкому изменению напряжения датчика, соответствующего либо обогащенной, либо обеденной смеси. Именно поэтому такие датчики называются узкодиапазонными. Они генерируют сигнал пропорционально содержанию кислорода в отработавших газах в пределах узкого диапазона вокруг стехиометрического значения.