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。中有大柱,傍行八道,安关闭发动之机。
它有八个方位,每个方位上均有一条口含铜珠的龙,在每条龙的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生,该方向龙口所含铜珠即落蟾蜍口中,由此便可测出发生地震的方向。经过试验,与所设制,符合如神,自从有书籍记载以来,是没有过的。
曾经一龙机发,地不觉动,雒阳的学者都责怪不足信,几天之后,送信人来了,果然在陇西地发生地震,众人于是都服其神妙。自此之后,朝廷就令史官记载地动发生的地方。
关于地动仪的结构,流行的有两个版本:王振铎模型,即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体,控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型已被基本否定。
另一种模型由地震局冯锐提出,即“都柱”是悬垂摆(见袁宏《后汉纪》),摆下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处(即《后汉书·张衡传》中所说的“关”),地震时,“都柱”拨动小球,小球击发控制龙口的机关,使龙口张开。
世界上地震频繁,但真正能用仪器来观测地震,在国外,是19世纪以后的事。候风地动仪是世界上的地震仪之祖。虽然它的功能尚只限于测知震中的大概方位,但它却超越了世界科技的发展约1800年。
在科学发明创造方面,张衡更是对中国和世界文化做出了极大贡献。中国的浑天仪,从公元前一世纪中叶起,开始了迅速的发展。西汉的耿寿昌发明了最早的浑天仪。公元125年左右张衡在耿寿昌、傅安和贾逵的基础上,加上地平环和子午环,制作成了完整的浑天仪。
李约瑟给予了很高的评价:“张衡是演示用浑仪的首创者,同时又成功地利用水力来运转浑仪(包括观测用)上的环圈,他用一种方法把演示和观测两者的效用结合起来了。自此以后,这两种浑仪的制用方法经过几百年都没有多少改变”。
他还创制成功了世界上最早的用水力转动的浑天仪(亦名浑象)。根据《宋书·天文志》记载,该浑天仪至东晋犹存。张衡在公元132年制造了测定地震的候风地动仪,非常科学和准确,史称“验之以事,合契若神”。此外张衡还制造了三轮自转车、指南车、自飞木雕等。