Im einfachsten Fall werden Längenmessungen mit Strichmaßstäben und Messbändern durchgeführt. Längenänderungen können mit Mikrometern, Messschiebern, Messuhren und elektrischen Wegaufnehmern bestimmt werden. Elektronische Taster sind für Messwege von 2 mm bis 500 mm handelsüblich, wobei die Messunsicherheit entweder als Klassengenauigkeit (z. B. Genauigkeitsklasse 0,1) oder in Prozent des Messweges (z. B. 0,1 %) angegeben wird. Berührungslos messende Wegaufnehmer nach dem Kondensator- oder Wirbelstromprinzip sind wegen ihrer erheblichen Nichtlinearitäten nur für kleine Abstände bis zu einigen Millimetern einsetzbar. Sensoren, die nach dem Triangulationsverfahren arbeiten, haben einen wesentlich größeren Messbereich und arbeiten auch berührungslos.
Nach dem Verfahren der Laserinterferometrie können Strecken bzw. Entfernungsänderungen über einen Bereich bis zu 30 m bis 40 m auf Bruchteile der Wellenlänge des Lichts, also < 0,1 µm genau bestimmt werden. Daneben lassen sich mit einem Laserinterferometer die Messgrößen Winkel, Geradheit und Ebenheit hochgenau bestimmen. Laserinterferometer zeichnen sich durch eine hohe Messfrequenz aus, so dass sie auch für dynamische Anwendungen geeignet sind. Mit Halbleiterinterferometern, bei denen das von der Laserdiode abgestrahlte Licht in seiner Frequenz in gewissen Grenzen kontinuierlich verändert werden kann, lassen sich die Längen von Strecken im Bereich bis zu einigen Metern auch absolut bestimmen, ohne den Reflektor über die gesamte Messstrecke verschieben zu müssen. Über entsprechende Strahlteiler können mehrere Messstrecken quasi gleichzeitig ausgemessen werden.
Größere Entfernungen von einigen hundert Metern Länge bis hin zu einigen Kilometern können mit elektrooptischen Distanzmessern (EDM) auf wenige Millimeter, zum Teil auch auf Bruchteile davon, gemessen werden. Dafür wird die Laufzeit des vom Gerät ausgesandten Lichts nach den Verfahren der Amplituden-, Polarisations- und Impulsmodulation direkt bzw. indirekt bestimmt. Die Genauigkeit wird derzeit besonders bei längeren Distanzen durch die Unzulänglichkeiten, mit der die aktuelle Dichte der Atmosphäre für die Berechnung der Geschwindigkeitskorrektion erfasst werden kann, limitiert. Wird z. B. die mittlere Lufttemperatur längs der Strecke um 1 K unzutreffend bestimmt, ergibt sich daraus für die Strecke ein Maßstabsabweichung von 1 ppm (= 1 mm/km). Der gleiche Effekt stellt sich ein, wenn der Luftdruck um 4,2 hPa fehlerhaft ermittelt wird.
Horizontalrichtungen und Zenitwinkel werden mit Theodoliten bei einer Auflösung bis zu 0,01 mgon mit einer Standardabweichung bis zu 0,2 mgon gemessen. In modernen Instrumenten ist die Ablesung der Teilkreise automatisiert und es ist zusätzlich ein Distanzmesser eingebaut (Tachymeter). Elektronische Tachymeter verfügen über motorgesteuerte Antriebe und können über einen Rechner gesteuert, durch Prismen signalisierte Punkte grob anfahren und mit der automatischen Zielerfassung auch hoch genau anmessen. Sie eignen sich daher in besonderem Maße für Messungen, die in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführen sind, z. B. bei der permanenten Überwachung von Bauwerken. Außerdem kann die Streckenmessung im Nahbereich bis 100 m bzw. 200 m reflektorlos durchgeführt werden. Die tatsächliche Reichweite hängt dabei ab von den Beleuchtungsverhältnissen, der Oberflächenbeschaffenheit und in besonderem Maße von der Feuchtigkeit des anzumessenden Materials. Diese Technik kann sehr vorteilhaft bei der Einmessung von Gebäuden und beim Aufmaß bestehender Gebäude eingesetzt werden. Die reflektorlos arbeitenden Distanzmesser sind auch einzeln verfügbar als preisgünstige Hand-Lasermeter, z. B. das Gerät DISTO der Firma Leica.
Im Maschinenbau werden Winkelendmaße verwendet. Sie sind prismatische Körper, deren ebene Messflächen einen Winkel einschließen. Durch geschickte Summen- oder Differenzbildung der Winkelendmaßkombinationen lassen sich Stufungen bis 1´´ (= 0,3 mgon) realisieren.
Mit Neigung bezeichnet man die auf die Horizontale bezogene Schiefstellung eines Objekts. Gebräuchliche Einheiten für die Neigung sind: rad, Grad, Gon und mm/m. Es ist 1 mrad = 1 mm/m = 0,0637 gon = 63,7 mgon = 0,0573° = 206 ´´. Neigungen werden gemessen mit Wellenwasserwaagen, Präzisions-Rahmenwasserwaagen, Koinzidenzlibellen nach dem Legebrettprinzip usw. Weiterhin gibt es eine Vielzahl elektronischer Neigungsmesser, die nach den unterschiedlichsten Prinzipien arbeiten. Die Neigungsmesser sind in der Regel einachsig. Für besondere Anwendungen sind aber auch zweiachsige Sensoren verfügbar. Um die unvermeidbaren Drifteffekte besonders bei Langzeitmessungen erfassen zu können, sollten die Messungen in regelmäßigen Zeitabständen in mehreren Lagen durchgeführt werden, um damit den tatsächlichen Spielpunkt zu bestimmen.
Beim Verfahren des geometrischen Nivellements werden Nivelliere mit Röhrenlibellen, Kompensatornivelliere und Digitale Nivelliere eingesetzt. Die Messunsicherheit eines Höhenunterschiedes zweier etwa 40 m entfernter Punkte beträgt bei normalen Verhältnissen etwa 0,1 mm. Bei den Kompensatorinstrumenten ist auf den Effekt der Horizontschräge besonders zu achten. Dieser Effekt wird durch wechselndes Ausrichten des Instruments beim Einspielen der Dosenlibelle weitestgehend eliminiert. Bei digitalen Nivellierinstrumenten, die ebenfalls mit einem Kompensator ausgestattet sind, werden die Ablesungen über elektronische Erkennungsverfahren automatisch gewonnen. Es gibt eine Reihe von systematisch wirkenden Einflussfaktoren, die bei hohen Genauigkeitsforderungen zu beachten sind /Ingensand 2001/.
| manuelle Ablesung an Skalen, |
| berührende Abtastung mit mechanischen Spitzen bzw. durch Schwimmer, |
| Abtastung durch Wiegen der Flüssigkeit, |
| Einmessung über Drucksensoren, |
| berührungslose Abtastung (z. B. kapazitive Sensoren, interferometrisch, mit Ultraschall /Schwarz 2002/). |
Für hochgenaue Anwendungen im Mikrometerbereich sollte der Schlauch möglichst horizontal verlegt werden, um die vertikalen Wassersäulen und damit die Temperatureffekte möglichst klein zu halten. Ändert sich z. B. bei 20 °C warmem Wasser die Temperatur um 1 K, so erfährt der Wasserspiegel einer ein Meter hohen Wassersäule eine Höhenänderung von 0,18 mm. Weiterhin sollte mit einem geschlossenen System gearbeitet werden, bei dem der Luftdruck in den einzelnen Messtöpfen über einen zusätzlich zu verlegenden Luftschlauch sich ausgleichen kann; damit wird das System unabhängig vom Außendruck. Eine Druckdifferenz an den einzelnen Messstellen von 0,001 hPa würde nämlich einen Höhenfehler von 0,01 mm hervorrufen. Für höchste Genauigkeiten werden Rohre horizontal verlegt, die nur bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt sind. Im oberen Bereich des Rohres findet dann der Druckausgleich statt, so dass hier kein zusätzlicher Luftschlauch zu verlegen ist; es sind bei dieser Anordnung auch keine vertikalen Wassersäulen vorhanden.
Bei Fluchtungsmessungen (Alignements) besteht die Aufgabe, Messpunkte längs einer Geraden auszurichten bzw. die Ablage der Messpunkte von einer Geraden in horizontaler und/oder vertikaler Richtung zu ermitteln. Dabei werden Alignements unterschieden in solche mit mechanischer und mit optischer Bezugslinie.
Mechanische Bezugslinien werden in Form von gespannten Drähten (z. B. Nylon, Kevlar, Federstahl, Wolfram, Nivaflex, Silikon-Kohlefaser-Draht) realisiert. Für die berührungslose Abtastung des Drahtes gibt es eine Reihe von Einrichtungen, z. B.
| CERN-Pfeilhöhenmessgerät, |
| Licht-Schatten-Verfahren, |
| optische Abbildung (telezentrisch), |
| über Scanner, |
| elektrische Verfahren. |
Als optische Referenzlinie für Alignements kann ein Laserstrahl oder die Zielachse eines Fernrohres verwendet werden. Im Maschinenbau werden für Alignements Fluchtfernrohre eingesetzt, die mit Kugeln der Firma Taylor-Hobson /N. N. 1984/ zentriert werden. Geradheitsmessungen können auch durchgeführt werden:
| mit Theodoliten, |
| nach dem Verfahren der Autokollimation, |
| durch interferometrische Winkelmessung, |
| mit Neigungsmessern, |
| mit transparenten Sensoren, |
| mit Laserstrahlen durch Intensitätsvergleich, |
| interferometrisch, |
| mit dem Heelschen Fluchtverfahren. |
Der Ausdruck "Optical Tooling" ist ein Sammelbegriff für eine spezielle Art von Messungen im Bereich des Maschinenbaus und lässt sich am ehesten als "Optisches Ausrichten" übersetzen. Messverfahren aus dem Bereich "Optical Tooling" werden zur Bestimmung folgender geometrischer Größen eingesetzt:
| Geradheit, |
| Ebenheit, |
| Rechtwinkligkeit, |
| Lotrechtstellung, |
| Fluchtung, |
| Parallelität, |
| Abstandsgleichheit. |
Für die Messaufgaben werden die Verfahren der Kollimation, der Autokollimation und der Autoreflexion eingesetzt. Eine Besonderheit stellt das Autokollimationsprisma Wild GPA1 dar, das speziell für die Ausrichtung der Walzen von Papiermaschinen entwickelt worden ist, derzeit aber nicht mehr vertrieben wird. Für die Messverfahren aus diesem Bereich werden spezielle Instrumente verwendet, so z. B. als Präzisionsnivelliere sogenannte Tilting Level und als Universalinstrumente sogenannte Jig Transit, die mit vier Fußschrauben horizontiert werden. Dabei wird die Instrumentenhöhe nicht verändert.