תפקיד הליבה של מנתח חמצן הוא לזהות ולכמת את שיעור החמצן בדגימת גז. ישנן מספר גישות טכנולוגיות להשגת מטרה זו, כל אחת מהיישומים והיתרונות הספציפיים שלה.
טכנולוגיה נפוצה אחת מבוססת על העיקרון האלקטרוכימי. חיישנים אלה מכילים תמיסת אלקטרוליט ושתי אלקטרודות או יותר. כאשר דגימת הגז מתפזרת לתוך החיישן, החמצן עובר תגובה כימית על פני האלקטרודה, ויוצרת אות חשמלי פרופורציונלי לריכוז החמצן. מכשירים המבוססים על עיקרון זה הם בדרך כלל פשוטים במבנה וזולים יחסית, מה שהופך אותם למתאימים למכשירים ניידים ולניטור מקוון לטווח ארוך-. עם זאת, ייתכן שהאלקטרוליט נצרך, כך שלחיישן יש אורך חיים מוגבל ודורש החלפה תקופתית.
עקרון נוסף בשימוש נרחב הוא פרמגנטיות. מולקולות חמצן הן פרמגנטיות, כלומר הן נמשכות לשדה מגנטי. מנתחים פרמגנטיים קובעים את ריכוז החמצן על ידי מדידת הכוח המופעל על הגז בשדה מגנטי לא אחיד. למכשירים אלו זמן תגובה מהיר, דיוק גבוה ואינם מושפעים ממרכיבים אחרים בגז הרקע, מה שהופך אותם למתאימים במיוחד למדידת חמצן בטוהר- גבוה או כמרכיב העיקרי בתערובות גזים מורכבות. עם זאת, המבנה שלהם מורכב יחסית, ומחירם בדרך כלל גבוה יותר מחיישנים אלקטרוכימיים.
גם חיישני אלקטרוליטים מוצקים-מבוססים-זירקוניה הם טכנולוגיה חשובה. הם פועלים בטמפרטורות גבוהות, וחומר הזירקוניה מאפשר ליוני חמצן לעבור דרכם. החיישן נמצא במגע עם גז ייחוס וגז המדגם בצדדים מנוגדים. ההבדל בלחץ החלקי של החמצן יוצר כוח אלקטרו-מוטורי, שיש לו קשר מובהק עם ריכוז החמצן. טכנולוגיה זו מתאימה מאוד לסביבות-טמפרטורות גבוהות, כגון ניטור יעילות הבעירה בדוודים ובכבשנים, ויכולה לעמוד בתנאי הפעלה קשים.
עקרונות אופטיים, כגון ספקטרוסקופיה של ספיגה בלייזר של דיודות מתכווננות (TDLAS), הופכים גם הם יותר ויותר פופולריים. שיטה זו מנתחת ריכוז על ידי מדידת המידה שבה לייזר באורך גל מסוים נספג על ידי מולקולות חמצן. שיטה זו אינה-מגע, מהירה מאוד בתגובה, וכמעט שאינה דורשת תחזוקה, אך עלות הציוד הראשונית גבוהה יותר.
בחירת עקרון הנתח תלויה בדרישות היישום הספציפיות, לרבות טווח ריכוז החמצן שיש למדוד, דרישות דיוק, מהירות תגובה, תנאי סביבה ומגבלות תקציב.