氧氣監測儀有兩種主要工作原理：原電池型和氧化鋯固體電解質型。其他方法包括“磁性類型"和“可調諧波長半導體激光光譜類型"。

1.原電池類型

它由允許外界氧氣通過的樹脂膜、金 (Au) 和鉛 (Pb) 電極以及電解質（氫氧化鉀水溶液）組成。每個電極上都會發生以下反應。

陽極：Pb + 2OH - → Pb 2+ +H2O + 2e -

陰極：O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4H 2 O

陽極釋放的電子到達陰極，從空氣中獲取的氧氣捕獲陽極釋放的電子。這種電子流（電流）與氧氣濃度成正比，因此可以通過測量電流來測量氧氣濃度。該反應是自發發生的，因此不需要電源來驅動傳感器。

2.氧化鋯固體電解質法

該方法使用氧化鋯電池，利用氧化鋯在500°C或更高的高溫下表現出固體電解質特性的事實。氧化鋯含有負氧離子（O 2 ? ）的特性，允許離子從高氧濃度的氣體（大氣中）傳導到低氧濃度的氣氛（例如工業爐內） 。

通過該離子的傳導產生電位差，在高O 2濃度側和低O 2濃度側設置電極，產生電動勢。這種關系就像電池的正極和負極一樣。

O 2高濃度側：O 2 + 4e - → 2O 2 -

O 2低濃度側：2O 2 - → O 2 + 4e -

由于電極之間產生的電動勢遵循能斯特方程（見下文），因此可以確定每個電極處的氧分壓。

E= (RT/4F) ·ln (PA/PB)

（R：氣體常數、T：溫度、F：法拉第常數、PA：高濃度側氧分壓（大氣中）、PB：低濃度側氧分壓）

溫度通過附在氧化鋯上的熱電偶測量。另外，在約400℃以下的氣氛下，通過取樣管將目標氣體導入裝置內，使用鉑加熱器等將氧化鋯池加熱至規定溫度（取樣法）。這是因為為了使氧化鋯發揮固體電解質的作用，需要500℃以上的溫度。