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发明地动仪早在公元132年，张衡就研发了世界上最早的震后测量仪器，名叫候风地动仪。据后汉书记载，仪器整体由铜制成呈圆形顶端凸起，直径大概有八尺，外围还用各种文字鸟兽图案来装饰，也很像当时的酒杯，仪器内有八个柱子，安装驱动机关，仪器外有八条含着铜珠的龙，位居八方，每条龙下都有蟾蜍地震发生后，相应方向的龙珠便坠落，被蟾蜍之口所接。
改进浑天仪早在西汉时期，耿寿昌就制造出了浑天仪，张衡在此基础上进行改进，使得浑天仪更加精准。张衡改进的浑天仪整体是一个直径大概四尺多的铜球，在球上刻着二十四节气、南北极、二十八星宿以及黄赤道等元素，形成了浑象（和现在天球仪类似），通过机械装置，来连接漏壶和浑象，就可以用漏壶的流水来运转浑象，就可以得到天体运动，时令节气的规律。
发明瑞轮荚瑞轮荚是一个自动日历，张衡是模仿了冥荚（传说中一种神树）来制作它的，以流水来驱动，每月从初一到满月每天会现出叶子一片，之后从满月到月末，每天又会收叶子一片，循环往复。
发明指南车张衡所发明的指南车通过齿轮传动来运转，双轮独辕，齿轮系统在车厢内可自动离合，车厢外有一个木头人，无论车子朝哪走，木人的手臂都向南。
对历法贡献在延光二年（公元１２３年），张衡参与了历法的讨论，驳回了《太初历》和《四分历》，阻止了中国历法的倒退，张衡认为《九道法》最为精准，但是按九道法来推历法，和人们当时的历法习惯是有很大冲突的，所以没被采用，所以，这是中国历法的一个损失。张衡的代表作《灵宪》得出的地球绕太阳一周的时间，与现代的精确测量十分接近。
张衡六十二岁因病去世，被后人称为“木圣”或“科圣”。
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