浑天仪于公元１１７年制成。浑象是一个直径约５尺的铜铸空心球体，球的外面套有地平圈和子午圈两个可转动的圆圈，球面刻了赤道、黄道、南北极，２４个节气，日、月、星辰和２８宿，以及其他天象变化示意标志。
铜球表示天球，上面有２８宿、中外星官及互成２４度交角的黄、赤道等。地平圈和子午圈紧附在球外，天球半露于地平圈之上，半隐于地平圈之下，天轴则支架在子午圈上，天球可绕天轴转动。形象地表达了浑天思想，解释了若干天文现象。
张衡利用当时的机械技术，巧妙地把计量时间用的壶漏与浑象联系起来，即以漏水为原动力，并利用漏壶的等时性，采用齿轮系统把浑象和表示时间的壶漏结合在一起，以流水下落的力量带动齿轮，通过齿轮的转动带动浑象每日均匀地绕轴旋转一周，达到可自动地与地球同步运转的水平，自然而然地把天象演示出来。
水运浑象在中国古代天文学上具有重大的科学价值，是世界最早利用水力转动的浑天仪。它在天文仪器史上占有重要地位，对中国后来的天文仪器影响很大。唐宋以来就在它的基础上进行更完善的改进，发展成更复杂的天象表演仪器和世界最早的天文钟。
地动仪是世界第一架观测地震的仪器，于公元１３２年制成。张衡把它放置在洛阳的灵台，同浑象、浑仪、圭表、刻漏等天文仪器一起，供观测天文之用。
《后汉书·张衡传》中记载着候风地动仪制造的情况及其形状、构造和功能等情况。
候风地动仪用青铜铸成，圆径８尺，通高约１１尺５寸，顶上有个凸起的可以启闭的盖子，外形像个酒坛子。地动仪的周围按八方附设八条垂龙，八条龙口中各衔铜珠，地上并设八个向上张口的铜蟾蜍，与龙头上下对应，候风地动仪利用惯性原理，在仪器内部中央，立有一根“都柱”，即倒立状的惯性震摆。围绕都柱设有八条滑道，滑道上面装有八组“牙机”，即传动杠杆，其外端呈曲尺形，穿有枢轴，通出仪器外面与龙头上颌接合。
一旦发生较强烈的地震，“都柱”因震动失去平衡而触动“八道”中的一道，使相应的龙口中的铜球失控而掉入蟾蜍口中，发出声响，用以报警。观测人员根据铜球“振声激荡”便可知道地震发生的方向和时间。
候风地动仪灵敏度很高，最低可测地震烈度为三度左右的地震。据记载，曾接收到震中在陇西、而洛阳人未曾感受到的地震情况，开创了人类使用科学仪器观测地震的历史，为后人积累了许多防震抗震的知识和经验。
张衡的候风地动仪是当时世界上遥遥领先的伟大发明，它的基本构造附合物理学的原理，比欧洲早了１７００多年。
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