Сензор кисеоника враћа информацију о концентрацији мешаног гаса у ЕЦУ тако што детектује садржај кисеоника у издувним гасовима мотора и инсталира се на издувну цев пре тросмерног катализатора.

Осетљиви елемент сензора кисеоника који се користи за генерисање напонског сигнала је цирконијум диоксид (ЗрО2), који има слој платине на својој спољној површини и слој керамике на спољашњој страни платине за заштиту платинске електроде. Унутрашња страна сензорског елемента сензора кисеоника је изложена атмосфери, а спољна страна пролази кроз издувни гас који испушта мотор. Када је температура сензора изнад 300℃, ако је садржај кисеоника на обе стране прилично различит, електромоторна сила ће се генерисати на обе стране. Садржај кисеоника у унутрашњости сензора је висок јер је вентилисан у атмосферу. Када је смеша ретка, садржај кисеоника у издувном гасу је висок. Разлика у садржају кисеоника између две стране сензора је веома мала, тако да је електромоторна сила коју генерише такође веома мала (око 0,1В). Међутим, када је смеша превише богата, садржај кисеоника у издувном гасу је веома мали, разлика у концентрацији кисеоника између две стране осетљивог елемента је велика, а генерисана електромоторна сила је такође велика (око 0,8 В). Грејач унутар сензора кисеоника се користи за загревање осетљивог елемента како би могао нормално да ради.

Ако сензор кисеоника нема излазни сигнал или је излазни сигнал ненормалан, то ће повећати потрошњу горива и загађење издувним гасовима мотора, што ће резултирати нестабилном брзином у празном ходу, престанком паљења и клепетом. Уобичајени кварови сензора кисеоника су:

1) Тровање манганом. Иако се оловни бензин више не користи, средство против детонације у бензину садржи манган, а јони мангана или јони манганата након сагоревања ће довести до површине сензора кисеоника, тако да не може да произведе нормалне сигнале.

2) Таложење угљеника. Након што се на површини платинасте плоче сензора кисеоника таложи угљеник, не могу се генерисати нормални сигнали напона.

3) Нема излазног напона сигнала због лошег контакта или отвореног кола у унутрашњем колу сензора кисеоника.

4) Керамички елемент сензора кисеоника је оштећен и не може да генерише сигнал нормалног напона.

5) Отпорна жица грејача сензора кисеоника је изгорела или је његово коло прекинуто, због чега сензор кисеоника не може брзо да достигне нормалну радну температуру.