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中國天文學(xué)發(fā)展的歷史是悠久的。到漢代已有蓋天、宣夜和渾天等學(xué)派。蓋天說認(rèn)為，天如蓋，蓋心是北極，天蓋左旋，日月星辰右轉(zhuǎn)。宣夜說認(rèn)為天無定形，日月星辰“自然浮生虛空之中”，并不附著于“天體”之上。渾天說認(rèn)為天如蛋殼，地如蛋黃，天地乘氣而立，載水而行。

宣夜說后來不幸失傳了，蓋天、渾天兩說并行，競相爭鳴，比較科學(xué)的渾天說漸占上風(fēng)。同時(shí)，觀測天象的儀器也不斷出現(xiàn)，如武帝時(shí)洛下閎制造了渾天儀，宣帝時(shí)耿壽昌又造了渾天儀，和帝時(shí)崔瑗的老師賈逵更制造了黃道銅儀。[1]

張衡繼承和發(fā)展了前人的成果。任太史令后，他更加勤奮地“研核陰陽”，終于“妙盡璇璣之正”。元初四年（公元117年），一件成就的銅鑄渾天儀，被張衡造了出來。渾天儀主體是幾層均可運(yùn)轉(zhuǎn)的圓圈，外層周長一丈四尺六寸。各層分別刻著內(nèi)、外規(guī)，南、北極、黃、赤道，二十四節(jié)氣，二十八列宿，還有“中”、“外”星辰和日、月、五緯等等天象。儀上附著兩個(gè)漏壺，壺底有孔，滴水推動(dòng)圓圈，圓圈按著刻度慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)。于是乎各種天文現(xiàn)象便赫然展現(xiàn)在人們眼前。這件儀器被安放在靈臺(tái)大殿的密室之中。夜里，室內(nèi)人員把某時(shí)某刻出現(xiàn)的天象及時(shí)報(bào)告給靈臺(tái)上的觀天人員，結(jié)果是儀器上、天上所現(xiàn)完全相符。

小的渾天儀模型制成后，作為試驗(yàn)，試驗(yàn)準(zhǔn)確了，然后再用銅來鑄成正式儀器。在張衡謹(jǐn)慎、細(xì)心操作下，耗費(fèi)了許多心血，經(jīng)過了一年多的努力，這個(gè)儀器終于制造成功了。因?yàn)檫@個(gè)儀器是根據(jù)渾天理論來制造的，所以張衡就把那個(gè)用竹蔑編成的模型叫做“小渾”，銅鑄的就定名叫做“渾天儀”。張衡的渾天儀在好些地方和近代的假天儀相似，不過近代的假天儀當(dāng)然比它精密得多。

張衡制成青銅渾天儀后，把它安裝在一間密室里，用流水的力量使它轉(zhuǎn)動(dòng)。然后，讓一個(gè)管理人關(guān)閉在室內(nèi)，高聲向站在觀象臺(tái)上的觀察者報(bào)告說：渾儀上哪一顆星正在升起，哪一顆星正在達(dá)到天頂，哪一顆正在落下去。一切都準(zhǔn)確地同天象相符。

在渾天儀和滴漏壺之外，張衡還創(chuàng)造了一種機(jī)械日歷，叫做“瑞輪冥莢”?！稌x書·天文志》記載：“至順帝時(shí)張衡又制渾象……，以漏水轉(zhuǎn)之于殿上室內(nèi)。星中出沒，與天相應(yīng)。因其關(guān)戾，又轉(zhuǎn)瑞輪冥莢于階下，隋月虛盈，依歷開落?！壁?莢是傳說中的一種樹，每天生一個(gè)莢，生到5個(gè)以后，又每天掉一個(gè)莢，掉完以后再重新生長。受此啟發(fā)，張衡創(chuàng)造了瑞輪冥莢，其內(nèi)裝有機(jī)關(guān)，在一個(gè)立軸上裝上十五個(gè)具有凸輪作用的撥板，使它們依次分別作用十五個(gè)冥莢，各按著應(yīng)有的時(shí)刻升起和降落。然后把瑞輪冥莢放在渾天儀殿房外面階臺(tái)旁邊。接聯(lián)到滴漏壺上去，也是利用漏水轉(zhuǎn)動(dòng)和渾天儀聯(lián)動(dòng)。它從每月初一起，每天轉(zhuǎn)出一片木葉，到15日共轉(zhuǎn)出15片，然后每天再轉(zhuǎn)入一片，依次減少，到月落為止。因?yàn)殛帤v是和月亮的運(yùn)行配合的，所以這種儀器不僅可以表示出日期，它還可以表示出月亮圓缺的增減情形，也就是按照陰歷中的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等順序，一次又一次地循環(huán)旋轉(zhuǎn)開合著，使人們從瑞輪冥莢上可獲得類似活動(dòng)日歷的效用。