三坐標測量儀的測量功能受儀器結構影響外，探頭系統也是極為重要的因素之一。因此為獲得最佳的測量效果而言，需依據測量工件的種類不同，選擇適當的探頭。三坐標測量儀大致上可分接觸式與非接觸式等兩種探頭，接觸式探頭又可區分成機械式和電氣式兩種，而電氣式又可區分成觸發式探頭與掃瞄式探頭之分。接觸式探頭又可區分成硬式探頭、觸發式探頭及模擬式探頭等三種。非接觸式又可區分成中心顯微鏡、中心投影器、影像視訊屏幕和激光等方式。而激光方式又可分激光掃瞄和激光探頭等二種方式。下圖為一待測工件及各式探頭的情形。

待測工件與各式探頭

　　1、機械式探頭
　　機械式探頭的型式種類繁多，包括球形、錐形、圓柱形及萬能形等。球形探頭其探針端擁有一個碳化物材料制成，直徑為2~10 mm的圓球。圓錐形為決定孔的中心位置，或兩孔間中心距離的測量，使用前需注意孔與探頭平行，即工件先作水平調整，然后再進行測量工作。圓柱形探頭因其僅能求得二坐標的坐標值，適用于板金面間尺寸、邊緣、曲面形狀、凹槽直度等均可測量。萬能形探頭為球形探頭的一種，主要因其探頭的指向能被任意改變，以配合待測工件測量方向。其它尚有為特殊用途而采用，如半球狀、碟式等探頭。
　　2、觸發式探頭 (Touch-Trigger probes)
　　觸發式探頭無論在任何位置及方向，只要其探針偏離原來的中心位置至某一程度時，立即會產生一個檢測信號，它是由英國Renishaw公司所發展出來的，已廣泛被世界各主要制造三坐標測量儀的廠商所采用，除了德國Zeiss、德國Leitz和意大利DEA之外。探頭內部的構造，中間有彈簧為調整固定探針的板塊松緊和探針的靈敏度，每隔120°有一組由一支圓銷或二個圓球組成的串聯電路。當探針觸及工件時，任何一組圓銷和圓球間，在其接觸點有間隙時即形成斷電，此時即發生觸發信號，使處理器計數其三軸的位置再送給計算機。觸發式探頭若使用于工件不同方向的測量，可用有五個方向的探頭稱的為五星探頭。Renishaw公司也設計的一種探頭，可作兩個軸向的旋轉，以配合工件不同待測方向的應用。角度移動量在A軸每7.5°有一可固定位置共15個位置、在B軸每15°有一個固定位置共24個位置可選擇，以達到測量各種方向的要求。
　　3、掃瞄式探頭
　　三維 (3D) 掃瞄探頭本身是一種小型三坐標測量儀，它是由三個相同的彈性平行四邊形構成，三個軸方向可有±3mm的偏移范圍。每軸都有感應式線性測量系統作為位置測量。三個個別導軌可以各自用精密的機械鎖緊且其測量系統相對機械零點的重現性小于0.1μm。測量力是應用插入式線圈感應產生器所產生轉換至各探頭的固定器上。自動重量平衡機構可作因探頭沖擊而偏位的補償。當電子定位控制在探頭與工件接觸就自動起作用。探測軸上導軌滑行，直到探頭中的感應系統已經靜止在其零點位置，此時機械坐標值才會被自動送到計算機。掃瞄式探頭其前端與觸發式探頭相同，因此它兼具有動態掃瞄和靜態觸發的功能。
　　另一種掃瞄式探頭為日本三豐 (Mitutoyo) 公司所設計是一種接觸式的位移偵測探頭，內有空氣軸承和線性光柵尺，探針位移量的偵測，借著探頭上的線性光柵尺信號被回授至處理器系統而得到。此型探頭可執行工件表面連續且自動化掃瞄的測量工作。此種探頭具有對工件表面形狀連續追蹤的能力、不需事先規劃探頭的移動路徑、借著測量力相同的關系，可作曲線表面進行精密的測量工作等優點。
　　4、非接觸式探頭
　　非接觸式探頭有中心顯微鏡、中心投影器、影像視訊屏幕和激光掃瞄等方式，可應用在小型零件形狀測量、無法使用機械式探頭測量的柔軟工件等。三坐標測量儀的測軸裝置影像視訊屏幕 (Closed Circuit TV)，提供放大倍率為20倍，只要在影像區內不需移動工件或探頭立即可測量工件各部位尺寸。激光掃瞄探頭，是一種最進步的測量系統，可借著激光光來進行連續的非接觸測量動作，同時消除接觸式探頭虛擬點加載(Dummy point entry) 以作為探頭半徑的補正工作。
　　5、探頭自動交換庫
　　英國Renishaw公司所發展的探頭自動交換庫能安裝八支探頭，可以完全自動更換探頭，以增加測量速度，使三坐標測量儀檢驗系統更彈性化。