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溫度計探頭的原理根據其類型而有所不同。 熱敏電阻利用半導體的電阻隨溫度變化而顯著變化的特性進行測量。低溫時電阻大，高溫時電阻小，但溫度與電阻的變化是非線性的。雖然它們也存在測量精度差、易受沖擊等缺點，但它們的優點是靈敏度比鉑電阻高出約10倍，這就是它們被廣泛應用的原因。感溫元件有NTC和PTC兩種，NTC用于測溫，PTC作為恒溫傳感器使用。
電阻溫度計對所用金屬的要求之一是其電阻值與溫度之間必須具有良好的線性度，而鉑金滿足這一要求。即使在 JIS 中，也只規定了鉑金。 鉑金也更穩定，可以在更寬的溫度范圍內使用，但它具有價格昂貴和熱響應慢等缺點。利用高純度鉑的電阻和溫度之間的線性關系來測量溫度。
熱電偶利用了塞貝克效應。這是一種當兩種不同的金屬連接在一起且兩個連接處保持在不同溫度時產生熱電電壓的機制。它們價格相對便宜，熱響應快，精度高，而且可以測量高溫。 所用金屬類型包括鎳鉻合金和鎳鋁合金的組合，以及鉑銠和鉑的組合。
