张衡为中国天文学、机械技术、地震学的发展作出了杰出的贡献，发明了浑天仪、地动仪，是东汉中期浑天说的代表人物之一。被后人誉为“木圣”。
瑞轮荚
瑞轮荚是张衡别出心裁创造的自动日历，它模仿神话中奇树蓂荚的特征，靠流水作用，从每月初一开始，一天出现一片叶子，到满月出齐15片，然后每天再收起一片，到月末为止，循环开合。这个神话曲折地反映了尧帝时天文历法的进步。张衡的机械装置就是在这个神话的启发下发明的。听谓“随月盈虚，依历开落”，其作用就相当于现今钟表中的日期显示。
指南车
张衡制造的指南车利用机械原理和齿轮的传动作用，由一辆双轮独辕车组成。车箱内用一种能自动离合的齿轮系统，车箱外壳上层置一木刻仙人，无论车子朝哪个方向转动，木人伸出的臂都指向南方。
计里鼓车
张衡创造的计里鼓车是用以计算里程的机械。据《古今注》记载：“记里车，车为二层，皆有木人，行一里下层击鼓，行十里上层击镯”。记里鼓车与指南车制造方法相同，所利用的差速齿轮原理，早于西方1800多年。
独飞木雕
张衡制作独飞木雕，是模仿鸟类高空翱翔的滑翔翼型设计。
地形图
张衡也研究过地理学，根据他研究和考察的心得，画过一幅地形图。唐张彦远《历代名画记》卷三云：“衡尝作地形图至唐犹存。”
浑天仪
张衡在西汉耿寿昌发明的浑天仪的基础上，根据自己的浑天说，创制了一个比以前都精确、全面得多的“浑天仪”。
地动仪
公元132年（阳嘉元年），张衡在太史令任上发明了最早的地动仪，称为候风地动仪。据《后汉书·张衡传》记载：地动仪用精铜铸成，圆径八尺，顶盖突起，形如酒樽，用篆文山龟鸟兽的形象装饰。
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。
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