Le principe de fonctionnement d’une sonde à oxygène est la comparaison de deux pressions partielles d’oxygène dans deux milieux gazeux séparés. L’oxyde de Zirconium (ZrO2) composant la cellule de mesure présente des défauts du réseau cristallin, c’est-à-dire qu’une partie des sites qui pourraient être occupés par des ions d’oxygène sont lacunaires. Pour que la comparaison de ces pressions partielles soit possible, il est nécessaire d’alimenter la sonde à oxygène avec un gaz dont on connaît la teneur en oxygène (air ambiant : %O2 = 20,9%), c’est ce qu’on appelle l’air de référence. 

La propriété de cette céramique est de permettre le déplacement de ces ions d’oxygène à une température supérieure à 600°C. L’élément de mesure devient alors conducteur. La tension ainsi générée exprime un rapport entre la différence relative des concentrations d’oxygène et la température de l’atmosphère de traitement.

Une fois la valeur de la tension (qui varie entre 0 et 1200mV) mesurée, on peut facilement calculer la concentration en oxygène grâce à l’équation de Nernst pour obtenir un %O2 ou alors en connaissant la teneur en CO (soit par analyse, soit par calcul théorique).  On peut alors déterminer le potentiel carbone (%C) de son atmosphère de traitement thermique.