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宣夜说后来不幸失传了，盖天、浑天两说并行，竞相争鸣，比较科学的浑天说渐占上风。同时，观测天象的仪器也不断出现，如武帝时洛下闳制造了浑天仪，宣帝时耿寿昌又造了浑天仪，和帝时崔瑗的老师贾逵更制造了黄道铜仪。
张衡继承和发展了前人的成果。任太史令后，他更加勤奋地“研核阴阳”，终于“妙尽璇玑之正”。元初四年公元117年，一件成就空前的铜铸浑天仪，被张衡造了出来。
浑天仪主体是几层均可运转的圆圈，最外层周长一丈四尺六寸。各层分别刻着内、外规，南、北极、黄、赤道，二十四节气，二十八列宿，还有“中”、“外”星辰和日、月、五纬等等天象。仪上附着两个漏壶，壶底有孔，滴水推动圆圈，圆圈按着刻度慢慢转动。于是乎各种天文现象便赫然展现在人们眼前。这件仪器被安放在灵台大殿的密室之中。夜里，室内观仪人员把某时某刻出现的天象及时报告给灵台上的观天人员，结果是仪上、天上所现完全相符。
铜仪的两侧附有玉虬龙各一，吐水入壶，左为夜，右为昼。壶上分别立着金铜仙人和胥徒，“皆以左手抱箭，右手指刻，以别天时早晚”。更有妙者：台阶下还有内装机关与两壶相联的瑞轮、荚，靠着滴水的推动，依照月亮出入圆缺的变化，不停地旋转开合，表示着朔、望、弦、晦等日期，有如活动日历一般，可见这件浑天仪及其附器，与近世的假天仪有许多相似之处。在此仪诞生的前一年，张衡先用竹篾制成一个模型，名曰“小浑”，进行了一系列的试验和校正，然后才铸作大仪。浑天仪是张衡血汗的结晶。他接着写了《浑天仪图注》和《漏水转浑天仪注》两本说明书，又撰成《灵宪》一部，绘制《灵宪图》一份。在这些著作中，张衡比较系统地阐述了自己的天文学理论，反映了他的朴素唯物主义的自然观。他认为宇宙是无限的，天体的运行是有规律的；月光是日光的反射，月蚀起因于地遮日光，月绕地行且有升降。他认识到太阳运行应是地球公转的某些规律，正确解释了冬季夜长、夏季夜短和春分、秋分昼夜等时的起因。他指出在中原可以见到的星有2500个，与今人所知略近。他经过对某些天体运转情况的观测，得出一周天为三百六十五度又四分度之一的结论，与近世所测地球绕日一周历时365天5小时48分46秒的数值相差无几。
由于研究天文、律历和制作仪器，张衡对数学的研究相应地加强了。在制成浑天仪后，他写成了《算罔论》，要“网络天地而算之”。他用“渐进分数”之法，算出圆周率为十的平方根，为3.16强。这比《周髀》所记载的π=3的数值大大进了一步。直到五 七个世纪以后，印度和阿拉伯的数学家才得出这个数值。
建光元年公元121年，张衡转任公车司马令，总领天下征诏之事。他没有被繁杂的公务所淹没，举足走进物理学和机械制造学的领域之中，并且取得了许多惊人的成就。他成了当时首屈一指的机械制造专家，被人呼为“木圣”，所造器物之精妙，无与伦比。他运用差动齿轮原理，造出了指南车和记里鼓车。他还精心制造出一只木鸟，“假以羽翮，腹中施机，能飞数里”，这简直是当时世上绝无仅有的一架木制“飞机”!可惜其实物和详细造法，也像他的许多杰作一样，后来大多失传了。
张衡还制造出一种测影仪器——土圭，用来研究天文、地理。他绘制成一幅《地形图》，一直流传到唐朝。他善画山水、动物，与赵歧、刘褒、蔡邕文姬之父同为东汉四大画家。他对音乐舞蹈等艺术也有精深研究。如在《观舞赋》里，他曾这样巧妙地形容舞蹈演员的舞技：“连翩络绎，乍续乍绝，裾似飞鸾，袖如回雪”。
责任编辑：史少晨
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