热电偶（Thermoelectric Couple or Thermocouple）又称热偶、热电式温度传感器等，是一种将温度变化转换为电势变化的装置，通过测量传感元件的电磁参数随温度的变化来实现温度的测量。热电偶一般由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。主要原理是基于两根随温度变化而产生不同电压响应的金属制成的引线，引线焊接在一起以形成结点，随着从结点到引线末端的温度变化，结点上会产生电压。因此可以采用不同类型的热电偶来进行不同温度范围和精度的测量。

1821年托马斯·约翰·塞贝克 (Thomas Johann Seebeck) 发现了金属棒电压差，这为热电偶的发明奠定了理论基础。1877年，法国化学家亨利·勒夏特列（Le Chatelier Henri）设计了PtRh10-Pt热电高温计结构，并交由卡彭特尔工厂制造，这是最早实现工业生产的热电偶。此后经过不断完善和改进，热电偶逐渐成为一种大量生产的常用测温仪器。

热电偶是一种重要的测温元件，具有较为广泛的测量范围，可以根据其电极材料、测量温度范围、结构类型、标准化情况等分类，其中标准化热电偶（包括S、R、B、K、N、E、J、T型）和非标准化热电偶是主要分类标准。热电偶易于安装，已经在钢铁、有色金属、发电、航空发动机、原子能反应堆、石油精炼、化工、机械热处理等领域中实现了规模化应用。

热电偶原理是基于不同金属的热电效应，热电效应最早可追溯到1800年伏打（A.Volta）研究伽伐尼电流时的发现，他观察到当用一根金属棒去接触蛙腿和蛙脚神经时，蛙腿会像用两端处于不同温度的金属棒触碰时一样产生剧烈抽搐。但当两端温度相同时，蛙腿抽搐现象消失。这种现象是温差电学说的先驱。

1819年汉斯·奥斯特（H.C.Oersted）电磁感应实验导致温差电效应被发现，为了验证电力和磁力的相似性，奥斯特把通电的导线垂直放在磁针上方，磁针未发生可觉察的运动，但将导线与磁针平行放置时，磁针产生很大的振动，将电流方向调转，磁针向相反方向偏转。

1820年初期，德国科学家托马斯·约翰·塞贝克 (Thomas Johann Seebeck) 为了验证奥斯特实验中的电流磁性机理，通过实验发现了电流与热的关系。

1821年，塞贝克发现加热金属棒的一端时，在整根金属棒上都会产生电压（称为塞贝克电压），该电压随温度而变化，并根据金属棒所用的金属类型而不同。通过在温度检测结点处联接具有不同塞贝克电压的不同金属，可产生热电偶电压 (VTC)。

1822～1823年，塞贝克将其持续观察报告给普鲁士科学学会，把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。1823年，奥斯特将6对Sb-Bi热电偶串接起来获得了使热电流增大数倍的效果。同年，物理学家贝克勒尔（H.Becquerel）用一种类似现代低阻检流计的装置测定了0~300℃ Fe-Cu热电偶的热电流与温度的关系，并提出其为非线性关系。随后克勒尔发现几种金属与铁配对时都会出现这种热电偶极性反转现象，并支出适合测高温的是Pt-Pd热电偶。

1826年，克勒尔提出热电流的相加定律，这类似于现代热电回路的中间温度定律。

1877年，法国化学家亨利·勒夏特列（Le Chatelier Henri）为了测量水泥制造过程中500℃的高温，提出用热电偶测量高温，研究了Fe、Ni、Pd、Pt和PtRh10合金材料的热电性能，研制、改进PtRh10-Pt热电高温计结构，成功设计了一种真正使用的高温计，并交卡彭特尔工厂制造。至此，热电温度计成为一种大量生产的常用测温仪器，在工业上获得广泛应用。

1919年，洛尔（J.M.Lober）在第一届国际温度讨论会上发表《热电偶用合金和廉金属的热电特性》文章，提出了热电温度计应重视材料性能和质量控制的规范要求。

1940年，美国标准局的达尔（A.I.Dahl）用标准铂电极对铬—镍铝和铁—铜热电偶丝材的长期稳定性进行实验，揭示了电偶丝中存在不稳定性问题。

1956年，国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）和加拿大国际研究委员会（NRC）联合召开了金属和固体中电子输运性能国际会议，推动了金属和合金热电性理论的研究。

1958年，美国标准局正式推荐用达尔的方法作为热电偶材料试验的标准方法，这种方法已成为研究、试验和生产热电偶材料的通用方法。

20世纪60—70年代，普遍采用现代热电理论来指导新合金研究和传统热电偶材料在性能方面的改进。20世纪60年代，陆续出版了很多有关热电理论的专著、评论和研究论文。1975年，国际电工委员会（简称IEC）向世界各国推荐了7种（S，R，B，K，E，J，T型）标准化热电偶并以IEC出版物进行公布。1977年，在国美召开了第一次金属导体的热电性国际会议，对热电理论、材料等进行了总结。

1986年，IEC又推荐了镍铬硅-镍硅（N型）热电偶作为标准化热电偶。

进入21世纪以来新型热电偶材料不断发展。如装热电偶材料得到推广使用，其中PtMo和NbMo系热电偶是测量核反应堆内温度的新品种；AuFe、CuFe、PdCrRu等新型深低温热电偶和中温N型热电偶等。这些新型热电偶相继列入各国的国家标准。

将两种不同的金属导体A、B连成闭合回路，且两节点温度t、t0不同，则回路中将有电势产生，这种现象即热电效应。回路中的电势称为热电动势（简称热电势），产生热电势的主要原因是两金属A、B内电子密度nA、nB不同，当A、B形成节点时，由于节点两侧存在电子密度差而发生电子扩散，使一侧失去电子带正电荷，另一侧得到电子带负电荷，最终节点两侧形成温度的电动势。这个电动势由于不同金属接触形成，回路内各节点形成的接触电势共同构成热电偶的热电势。若令温度t0已知且固定，将热电偶的热端置于待测温度中，即令t等于待测温度，则通过测量热电偶的热电势即可实现待测温度t的测量，这就是热电偶测温的基本原理。

热电偶是一种无源传感器，这意味着其不需要任何外部激励电源，就能响应温度的变化而产生电压。换句话说，热电偶可将热能直接转化为电能，因为该类传感器能够产生电压。热电偶属于相对式传感器，因为电压的产生依赖于两个接点的温度差，而与两个接点的绝对温度几乎无关。

根据热电偶用途、安装位置及方式的不同，其结构形式也有所不同，但其组成大致相同。

热电偶通常由热电极、绝缘管、保护管和接线盒等部件组成。热电偶的测量端由热电偶丝焊在一起形成，在测量温度时起感温元件的作用，是热电偶的核心部分。不同类型的热电偶结构不尽相同，比较代表性的热电偶结构有普通热电偶、铠装型热电偶、薄膜热电偶等。普通型热电偶的感温元件一般使用耐火陶瓷，制成通用性部件，可以装在不同的保护管和接线盒中。

热电极是测温敏感元件，是热电偶的核心部分。其测量端一般采用焊接方式构成。根据热电偶结构，热电极的材料和直径不尽相同，贵金属热电极直径一般为0.35~0.65mm，普通金属热电极直径一般为0.50~3.2mm，热电极的长短由安装条件决定，一般为250~300mm。对于偶丝直径较细（0.7mm以下）的热电偶感温元件，由于其机械强度较低，必须用一根绝缘瓷管将它们套在其中并固定在接线座上，以避免振动和高温沾污的影响。对于偶丝直径较粗的感温元件，通常为廉金属热电偶，绝缘管可用多节串接起来。

热电偶接线柱是作为热电偶的热电极和热电偶补偿导线之间的连接件，其材料一般是黄铜加工后去毛刺镀镍铬。热电偶接线座是作为热电偶感温元件和热电偶接线盒连接件，用接线座将感温原件固定在接线盒上，根据接线盒大小设计，其材料一般使用耐火陶瓷，它的绝缘性能和耐高温性能均很好。

绝缘管的作用是将两热电极隔离开，防止短路现象，若两热电极间（包括连接导线）绝缘不好或短路，将会使热电势产生分流现象，从而引入测量误差，甚至无法测量，绝缘管作为热电偶两根热电极之间以及热电极与保护管之间绝缘保护的材料，一般有耐火陶瓷、莫来石刚玉和纯刚玉3种。

保护管的作用是使热电极和被测介质不直接接触，避免或减少有害介质侵蚀，火焰和气流的冲刷和辐射以及机械损伤等。此外，保护管还起固定和支撑热电偶感温元件的作用。

接线盒是用来固定连接感温元件与外接导线，起着保护感温元件免受外接气氛侵蚀并使外接导线与热电极有良好接触的作用。接线盒一般由铝合金制成，出线孔和盖子都用垫圈加以密封，以防止污物落入而影响接线和可靠性。根据被测介质温度和现场环境条件的要求，接线盒有普通型、防溅型、防水型、防爆型等不同形式。

热电偶还有一些特殊结构形式。如将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成形、经焊接密封和装备成一体结构的铠装型热电偶，以及将两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的薄膜热电偶。

热电偶核心部件热电偶丝材料对产生电动势的大小影响很大，而且经常用于高温测量，因此热电偶丝材料必须满足以下要求，有最高的导电性，不易氧化，电阻温度系数比较小，放在强烈的温度变化环境中物理性质能够保持不变，保证热电偶能产生组偶的电动势，且电动势大小随温度变化尽量均匀。根据这些要求，常用于制造热电偶的金属是：铜（Cu），康铜（55%Cu +45%Ni），铁（ Fe），镍铬合金（90%Ni+10%Cr），镍铝合金（Alumel）（95%Ni+2%Mn，2%Al），镍铬硅合金（ Nicrosil）（84.6%Ni+14.2%Cr+1.4Si），镍硅合金（ Nisil）（ 95.5%Ni+4.4%Si+1%Mg），铂（Pt）905和（ Rh）。

热电偶中常用到一些廉金属元素及其合金，如铜、康铜等。铜具有很好柔韧性和导电性，商品铜和退火的裸铜丝不要特殊的工序就可以作为热电偶。商品铜非常均匀和一致，导热系数高。但铜在高温下会被迅速氧化，限制纯铜在空气中只能低于400℃温度下使用。康铜是指铜和35%~50%镍的合金(Cu-(35-50)Ni)，一般使用的合金成分大致是Cu-43Ni，有时可能存在少量的锰和铁以及微量的杂质。廉金属合金包括镍铬-镍硅、铜-康铜、镍铬-镍铝、镍铬-康铜等。

热电偶丝材料还包括一些贵金属及其合金，如铂、、铑、钌、及其合金等，常用的有铂铑10-铂、铂铑30-铂铑6，铱铑30-铱等。

钨具有非常高的熔点，大约为3410℃，虽然难溶性金属制备丝、棒或板材需要特殊的方法，但目前钨丝具有良好的均匀性和一致性，是高温热电偶最重要的金属之一。钨在经过热处理后就会变得非常脆，且易折断。钨作为热电偶不能暴露在高温氧化气氛中或者其他含有少量氧化杂质的惰性介质中，但可以用在惰性气氛或氢气气氛中，高真空也适用。

也是难熔性金属，熔点为3180℃，暴露在高温下仍可以保持柔软性，但在较低温度下很快地加工硬化。铼作为热电偶可以在真空、惰性气氛或氢气中使用，但不能在氧气气氛中使用。纯铼金属作为热电偶可以使用到2200℃。

作为热电偶材料在高温下会变脆，但没达到钨的程度，这种金属对杂质非常敏感，因为杂质可以十分强烈地改变它的热电势率。因此含钼热电偶必须在干净的真空系统中、高纯惰性气氛中或氢气中使用。

绝缘材料又称电介质，是能够阻止电流在其中通过的材料，即不导电材料。热电偶测温时，除测量端外，热电极之间和连接导线之间要求具有良好的电绝缘。常用的热电偶绝缘材料有陶瓷、石英、氧化铝和氧化镁等。热电偶的绝缘材料通常制成圆形或椭圆形的绝缘管，有单孔、双孔、四孔及其他特殊规格。除管材外，还可以将绝缘材料直接涂覆在热电极表面，或者把粉状材料经加压后烧结在热电极和保护管之间。

热电偶可以根据电极材料、测量温度范围、结构类型、标准化情况等分类。

按结构类型有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、各种专用热电偶（如测量表面温度用的表面热电偶；测量熔融金属用的快速微型热电偶；测量气流温度的抽气式热电偶；测量有爆炸性气体混合物的隔爆热电偶等）。

普通型热电偶也称为工业装配式热电偶，一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分组成。热电极、绝缘套管和接线座组成热电偶的感温元件，一般制成通用性部件，可以装在不同的保护管和接线盒中。

铠装式热点偶也称为缆式热电偶，一般是将热电极、绝缘材料连同保护管一起拉制成形，经焊接密封和装配等工艺制成组成体。套管可长达100m，管外径最细达0.25mm。分为单支式（双芯）、双支式（四芯）和三支式（六芯）几种。铠装式热电偶目前已实现标准化。系列化。其特点是体积小、热容量小、动态响应快、良好的柔性、便于弯曲、强度高、抗震性能好，广泛用于工业生产过程，热别是高压装置和狭窄管道温度的测量。

薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构热电偶，它的测量端小且薄，热容量很小，动态响应快，可用于微小面积及快速变化的表面温度测量。测量时需要用黏结剂紧贴在被测表面，热损失很小，测量精度高，受黏结剂及衬垫材料限制，测量温度范围一般限于-200~300℃。

表面热电偶主要用于测量各种固体表面（如金属块、炉壁、涡轮叶片等）的温度。

浸入式热电偶也称消耗型热电偶或快速热电偶，主要用于测量钢水、铝水及其他熔融金属的温度。

按标准化情况有标准化热电偶和非标准化热电偶。标准化和非标准化是相对的，随着科学技术发展，某些标准化热电偶可能被性能优良的非标准化热电偶代替，某些非标准化热电偶在克服本身局限性以后可能成为标准化热电偶。

标准化热电偶指生产工艺成熟、成批生产、性能优良并已列入国家标准文件中的热电偶，这类热电偶发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用。截至2023年，共有S，R，B，K，N，E，J，T型8种国家标准化热电偶，也称为字母标志热电偶。这是一种非常方便的缩写形式，已被国际广泛采用，正极用P表示，负极用N表示，正极成分写在前面。中国于1995年对上述8种标准化热电偶标准进行修订，采用IEC出版物公布的国际标准。

非标准化热电偶在生产工艺上还不够成熟，在应用范围和数量上均不如标准化热电偶，没有统一的分度表也没有与其配套的显示仪表。但非标化热电偶都具有某些特殊性能，可以满足一些特殊条件下测温的需求。如在超高温、极低温、高真空或核辐射环境中，一些非标准化热电偶具有良好的性能。

按电极材料分有贵金属热电偶、廉金属热电偶、贵-廉金属混合式热电偶、难熔金属热电偶、非金属热电偶。

按使用温度分有高温热电偶、中温热电偶、低温热电偶。

热电偶作为测温敏感元件，其测点和布线尺寸都可以做的很小，适合安装在某个区域有限、装置很小以及远距离或实在难以接近的地方，因此其结构设计可以做成多种样式。热电偶丝可以是电缆，也可以是0.02mm的细丝，或者作成基板上的薄膜。

热电偶作为温度测量仪器主要优点为结构简单、制造容易、测量方便、测量精度高，坚固耐用，适用于恶劣和高频振动等环境，热反应快，工作温度范围宽，成本低等。热电偶不需要额外加电源，可以远距离测量，自动记录自动调整，仪器工作部分较小，并且可以测量单点的温度，准确性较高，振动、火焰等环境对其基本无影响且没有炸毁的风险。

热电偶主要缺点为精度低，易受腐蚀，抗噪性差，非线性，稳定性低，工作需要低电压和参考值，低灵敏度，热电偶重新校准很难。此外，热电偶自由端温度影响很大，测量精度要求较高时需要加以补偿。

在热电偶工程应用中，通常由于测量条件限制，无法将偶丝完全插入到被测介质中，导致热电偶电极、封装外壳和热电偶丝为热流散热提供持续传导路径，流体介质与温度环境外部之间的温度差，为热量传递提供了传导方向与传导驱动力，使得热电偶测量端平衡温度与介质实际温度存在差异，形成测量误差。具体包括热电偶丝热电特性不稳定、参考端温度及测量系统的影响等。

热电偶在使用过一段时间后，热电偶丝的热电特性将会明显发生改变，主要表现为分度值随使用时间和使用条件的不同而发生变化。当超出规定范围时，测出的温度将远远偏离真实温度，从而影响工艺过程中的温度控制和产品质量，严重时还会造成产品不合格和加热设备的损坏。因此，热电偶的稳定性和均匀性就是热电偶热电特件相对稳定程度的一个重要指标，而它的变化就是造成实际工作中测温不准确的主要因素。

热电偶热电动势的大小与热电极材料、工作端的温度直接相关。热电偶的分度表和对应分度表刻度的温度显示仪表，都是以热电偶参考端温度等于0 ℃为条件的，如果参考温度不等于0 ℃，尽管被测温度恒定不变，热电势也会随着参考端温度的变化而变化，从而造成测量误差。

测量系统也会从动态响应、热电偶安装位置、测量系统漏电等方面影响热电偶的测量精度，动态响应误差是由热电偶的热惰性造成的，在热电偶插入被测介质后一直到测量端吸热并放热达到动态平衡后才会出现温度示值，瞬时示值与稳定示值存在误差。热电偶安装位置不当或插入深度不对时，都不能反映真实温度，这也会产生测量误差。测量系统绝缘不良产生电流泄露造成热电势失真，也会使热电偶产生测量误差。

为了尽量减小热电偶的测量误差，一般通过引入补偿导线。补偿导线是在一定温度范围内（包括常温）具有与所匹配的热电偶热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线，用它们连接热电偶与测量装置，以补偿它们与热电偶连接处的温度表所产生的误差。热电偶补偿导线由合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层等组成。热电偶补偿导线分为延长型与补偿型两种。

热电偶广泛应用于化工、冶金、能源、医疗、食品等行业中。包括用于办公室、家庭、企业恒温器中的温度传感器；在工业中用于监测铁、铝等熔融金属的温度；用于食品工业的低温测量；用于测试化工厂、石油工厂的温度；用于监测引燃火焰的气体机器温度测量。如中国火电厂主蒸汽温度的测量大都采用K型热电偶作为一次元件；航空用零件和原材料的热加工采用热电偶进行温度监测；压力容器堆芯采用热电偶密封装置进行温度检测等。

对于机械、冶金、能源和国防等部门，金属表面温度的测量是非常普遍而又比较复杂的问题，如热处理工作中锻件、铸件以及各种余热利用的热交换器表面、气体蒸汽管道、炉壁面等表面温度的测量。测温范围从几百到一千多摄氏度，而测量方法通常采用各种型号及规格的热电偶，主要根据测温范围及环境确定。用粘合剂或焊接方法将热电偶与被测金属表面直接接触，然后把热电偶接到显示仪表上组成测温系统。

热电偶测温由于采集信号弱，抗干扰能力差，一般仅用于航天器地面试验系统，应用最多的是铜-康铜型热电偶。由于热电偶参考端温度已知，一般多采用将参考端置于冰水混合物容器内，使参考端温度处于0℃。

热电偶是当前航空发动机高温壁面温度测量领域使用最为广泛的温度传感器，利用热电偶进行壁面温度测量时，将热电偶与被测壁面直接接触，因此不会受到中间介质的影响，具有较高的准确度。主要应用类型有铠装型热电偶和薄膜热电偶。

高超音速飞行器（如航天飞机、飞船等）在飞行过程中由于迎风面巨大的气动摩擦效应温度急剧升高，尤其是返回式航天器再入过程边界层转捩的热流脉动等，都需要获取精确的温度热流参数，以准确评估防热层表面的热环境，判别飞行器的热防护性能。

高温薄膜热电偶是航空发动机叶片测温的主流方法，在高温测量中，由于薄膜热电偶的热挥发性和结构稳定性受温度的影响较大，从而导致传感器的输出不稳定。由于高温合金具有易氧化、熔点低等缺点，使发动机叶片材料渐渐向陶瓷发展。相比于金属基底薄膜热电偶，陶瓷基底薄膜热电偶有良好的绝缘性，不需要在基底与热电敏感层之间沉积过渡层，因此制备工艺简单。薄膜热电偶电极材料会向更耐高温、热稳定性更好、测温范围更广的方向发展。

贵金属铠装热电偶因其测温准确、稳定性好、耐腐蚀、抗氧化、易弯曲、寿命长等诸多优点在钢铁冶金行业的真空炉、石油化工行业裂解炉、原子能工业中的核反应堆燃料元件包壳温度测量等领域得到应用。贵金属铠装热电偶在新型燃烧室内的高温、高速、高压条件下能够测试燃气的温度，为航空发动机燃烧室部件的设计与性能试验提供科学依据，如美国普拉特-惠特尼公司、英国史密斯公司、英国桑格姆-惠斯顿公司等研制的航空铠装热电偶供最新发动机的使用。贵金属铠装热电偶将逐渐朝耐高温、高可靠方向发展以满足未来航空、航天及原子能工业等特殊领域对高温或超高温环境下的测温需求，如开发Ir或IrRh合金铠装热电偶等。

铂铑10-铂热电偶的测量精度不能超过±0.2℃‚，并且偏离热力学温度也比较大，热电偶不均匀现象导致其测温精度不能进一步提高，为从根本上解决热电偶不均匀性带来的问题‚，提高测温精度，各国相继研究新材料热电偶：金/铂热电偶‚和铂/钯热电偶。除了在热电偶材料上改进外‚，对热电偶的传统结构也进行了探索。

陶瓷基底薄膜热电偶具有向航空航天、工业极端环境、生物化学、医疗、能源等领域发展的潜力。传统陶瓷材料硬度高，不能实现拉伸弯曲变形，制约了陶瓷基底薄膜热电偶的应用，另外由于传统陶瓷热电材料要到 500K 温度以上才能实现可靠的热电输出，制约了它的温度使用范围。近几年兴起的柔性热电材料，可以实现多领域应用; 无机化合物有机复合材料可以实现相对低温下的热电输出。因此柔性陶瓷、无机-有机复合材料等热电材料将会是今后的研究热点。实现薄膜热电偶的结构功能集成、与集成电路兼容、批量制备也是薄膜热电偶的研究方向。

热电偶重要的国际标准规范如下：

IEC 60584-1-1977 Thermocouples. Part 1 : Reference tables（热电偶.第1部分:分度表 ），发布单位：国际电工委员会；

IEC 62460-2008 Temperature - Electromotive force (EMF) tables for pure-element thermocouple combinations（温度 单一元素热电偶组合体用电动势(EMF)表），发布单位：国际电工委员会；

GB/T 30429-2013 工业热电偶，发布单位：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局;中国国家标准化管理委员会；

BS EN 60584-3-2008 Thermocouples — Part 3: Extension and compensating cables — Tolerances and identification system（热电偶.延长电缆和补偿电缆.公差和识别系统），发布单位：英国标准学会；

ANSI/ASTM E230-2002 Specification for Temperature - Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized Thermocouples（温度规范.标准化热电偶的电动势(EMF)表），发布单位：美国国家标准学会；

GB/T 16839.1-2018 热电偶　第1部分：电动势规范和允差，发布单位：国家市场监督管理总局;中国国家标准化管理委员会。