由于地球实际形状的不规则以及地球内部质量分布的不均匀，导致地球表面上的重力加速度数值不是常数。在地球赤道上重力加速度的值约为9.75米/秒²，而在两极则接近9.83米/秒²。根据物理大地测量学的理论，若能精确测得地面各点的重力加速度，那么就能高精度确定地球的形状以及地球外部重力场。因此，为了测定重力加速度，人们发明了一系列的重力仪。

重力仪分为绝对重力仪和相对重力仪两类。前者用来直接测定地面一点的重力加速度值，后者用来测定两点重力加速度之间的差值。市场上常见的绝对重力仪以美国产的FG系列仪器为主，相对重力仪则以加拿大CG-5重力仪为主。

根据测量重力加速度的原理不同，绝对重力仪包括摆仪和落体式仪器。1673年，荷兰物理学家C.惠更斯（Christiaan Huyghens）提出重力测量的摆原理，给出摆动周期、摆长和重力加速度之间的关系。直到20世纪中叶，绝对重力仪一直都是采用可倒摆。随着距离和时间测定精度的提高，1950年以后出现了采用自由落体原理的绝对重力仪，提高了绝对重力测量的精度。

单摆做简谐运动的周期与摆长的二次方根成正比，与重力加速度的二次方根成反比，而与振幅、摆球质量无关。根据单摆周期的公式可得重力加速度的求定公式：

(1)

如果测出单摆的摆长，周期，就可以求出当地的重力加速度。

落体式绝对重力测量的原理则有下落法和上抛法。物体只在重力作用下从静止开始下落的运动叫作自由落体运动。利用下落法测定重力加速度的公式为：

(2)

通过测定两个时间段和物体下落的距离和，即可测定该点的重力加速度。

利用上抛法测定重力加速度的公式为：

(3)

通过测定物体上升和下落两次分别通过相距的两个位置的时间间隔和，即可测定该点的重力加速度。

相对重力仪的原理有动力法和静力法，前者使用的仪器是摆仪，后者包括弹簧式和悬浮式仪器。1887年，奥地利测量学家用动力法的摆仪进行了相对重力测量。1930年，法国物理学家设计并制造了弹性摆。它以弹簧的弹力与重力相平衡，通过观测平衡位置的变化而求得重力差。弹簧重力仪的制成，加快了重力测量的进程，并显著地提高了测量精度。

相对重力测量的静力法原理是，当观测物体受力平衡时，量测物体平衡位置受重力变化而产生的位移以测定两点的重力差。静力法所使用的仪器称为重力仪。例如观测负荷弹簧的伸长即属此类，此类仪器称为弹簧重力仪。相对重力仪多属此类。弹簧重力仪的构造原理基本上是相同的。按位移方式的不同可分为两类：一类是旋转式系统，另一类是平移式系统。

平移式系统其原理较为简单，可以理解为一垂直式弹簧下挂一个重物，弹簧上端固定，当弹簧受到不同重力作用时，弹簧的长度会产生变化，测量此变化就可求得重力的变化。

从某种意义上讲，弹簧秤就是一种最简单的重力仪，因为它能测定固定重物在不同地点重量发生的微小变化。

垂直弹簧秤系统基本原理图

当弹簧秤挂有质量为的重物时，重物会对弹簧产生一个重力，弹簧同时产生一个方向相反的弹力。当两种力大小相等时重物就静止在某一位置，称为平衡位置，如果移动弹簧秤到另一地点，由于重力值的变化，弹簧秤就会伸长或者缩短以求达到新的平衡。所以，只要量测到平衡位置的变化量，即能得到重力的变化量，也就是重力差。设为弹簧秤的弹性系数，是弹簧长度，是弹簧未加重物时的长度（称原始长度），则对垂直弹簧秤系统存在下列平衡方程：

(4)

如果在地面两点之间进行观测，每点上都有一个如上的方程，将二点相减就可以得到：

(5)

令，就是弹簧长度的变化；就是重力的变化（重力差）则有：

(6)

式中和成比例；为常数，因此只要测出就能求出。

重力仪广泛用于地球重力场的测量、固体潮观测、地壳形变观测以及重力勘探等项工作中。随着现代科技的发展，一些新型的重力仪，如井下重力仪、海底重力仪、冷原子干涉重力仪、超导重力仪和重力梯度仪都相继研制出来，重力测量的精度也越来越高。