张衡不但是浑天论的完成者，而且还根据此种理论和实际天象观测知识，于公元１１７年在洛阳研制成功了观察天象的新型仪器——浑天仪。这是世界上第一台用水力推动的大型天文仪器。
    张衡观测天象的地方叫灵台，座落在洛阳平昌门南，灵台就是当时的天文台。这里的总管是灵台丞，属太史令管辖，上面有候气的、候风的、候日的、候星的等４０多人，机构庞大，分工细密。张衡利用这一有利条件经过了无数次的观察、研究、测验，于公元１１６年（东汉安帝元初３年）首先制作出一个浑天仪的模型叫小浑。
    从《浑天仪图注》记载可以看出小浑是一个较浑天仪小些的木质圆球，在圆球上先画出一大圆为赤道，再画一个与之成２４度交角的大圆为黄道，在黄赤道上均分成３６５又1/4刻度，两者的起始都在冬至点。在赤道北极及其相冲处（即南极），各用针穿一孔，作为圆球旋转轴的两端。取一长条竹篾，在其两头的中央各穿一孔，令这两孔之间的距离与圆球半个大圆弧的长度相等，将竹篾的两孔与南北两极相重合，竹篾则纵贯圆球，这时竹篾两孔间的连线必与圆球相切合，这是因为从北极到南极针孔中心间也正好等于１８２又5/8度，即半个大圆弧。沿中分线把竹篾削去一半，必须使中分线正好是竹篾两端孔中心的连线。从冬至点起，令竹篾的中分线沿赤道每隔一度移动一次，每一次均读出它与黄道相交的度值，就可以得知赤道每增一度时，黄道度或少或多于一度的数值。这多少之数即为黄赤道进退数。赤道度增率大于黄道度增率时，为多，为进数；；相反，为少，为退数。这是我国古代量度黄赤道进退数具体方法的最早、最详尽的记载。
    小的浑天仪模型制成后，作为试验，试验准确了，然后再用铜来铸成正式仪器。在张衡谨慎、细心操作下，耗费了许多心血，经过了一年多的努力，这个仪器终于制造成功了。因为这个仪器是根据浑天理论来制造的，所以张衡就把那个用竹蔑编成的模型叫做“小浑”，铜铸的就定名叫做“浑天仪”。张衡的浑天仪在好些地方和近代的假天仪相似，不过近代的假天仪当然比它精密得多。
    张衡制造的浑天仪是依据浑天原理而制成。其形状是个球形的东西，相当于现在的天球仪。浑天仪分做内外几层，每层都可以转动，中间有个铁轴贯穿球心，轴的方向就是地球自转的方向，轴和球体的接触有两个交点，即天球上的北极和南极。球的一半隐没在地平圈的下面，另一半显露在地平圈上面。在球的表面排列有二十八宿和其它恒星，球面上还有黄道圈和赤道圈，二者成２４度夹角，分列有二十四节气。从冬至点起（古代以冬至作为一年的开始），把圆分成３６５1/4度，每度又细分成四个小格。球体外面有两个圆圈，一个是地平圈，一个是子午圈，外圈圆周长为一丈四尺六寸一分。天轴支架在子午圈上，和地平斜交成３６度，就是说北极高出地平３６度。这是洛阳地区的北极仰角，也是洛阳地区的地理纬度。这架仪器的构造，几乎囊括了当时所有先进的天文学知识。
    为了使浑天仪能够按照时刻自己转动，张衡又设计了一组滴漏壶。滴漏壶是古代测知时刻的仪器，它用一个特制盛水的器皿，下面开个小孔，水一滴一滴流到刻有时刻记号的壶里，人们只要看到壶里水的深浅，就可以知道是什么时刻。当时没有发明钟表，我们的祖先就用它来测定时刻。张衡运用这个原理，设计了一组滴漏，巧妙地应用两个壶和浑天仪配合起来，利用壶中滴出来的水的力量来推动齿轮，齿轮再带动浑天仪运转，通过恰当地选择齿轮个数，巧妙地使浑天仪一昼夜转动一周，把天象变化形象地演示出来，人们就可以从浑天仪上面观察到日月星辰运行的现象。
    张衡制成青铜浑天仪后，把它安装在一间密室里，用流水的力量使它转动。然后，让一个管理人关闭在室内，高声向站在观象台上的观察者报告说：浑仪上哪一颗星正在升起，哪一颗星正在达到天顶，哪一颗正在落下去。一切都准确地同天象相符。
    在浑天仪和滴漏壶之外，张衡还创造了一种机械日历，叫做“瑞轮冥荚”。《晋书·天文志》记载：“至顺帝时张衡又制浑象……，以漏水转之于殿上室内。星没，与天相应。因其关戾，又转瑞轮冥荚于阶下，隋月虚盈，依历开落。”冥荚是传说中的一种树，每天生一个荚，生到第１５个以后，又每天掉一个荚，掉完以后再重新生长。受此启发，张衡创造了瑞轮冥荚，其内装有机关，在一个立轴上装上十五个具有凸轮作用的拨板，使它们依次分别作用十五个冥荚，各按着应有的时刻升起和降落。然后把瑞轮冥荚放在浑天仪殿房外面阶台旁边。接联到滴漏壶上去，也是利用漏水转动和浑天仪联动。它从每月初一起，每天转出一片木叶，到１５日共转出１５片，然后每天再转入一片，依次减少，到月落为止。因为阴历是和月亮的运行配合的，所以这种仪器不仅可以表示出日期，它还可以表示出月亮圆缺的增减情形，也就是按照阴历中的朔日、上弦、望日、下弦、晦日等顺序，一次又一次地循环旋转开合着，使人们从瑞轮冥荚上可获得类似活动日历的效用。
    总之，张衡的《灵宪》和浑天仪都是我国古代天文学方面极其重要的科学成就。它一方面总结了古代天文学的珍贵成果和丰富经验，另一方面刻意创新表示了运用科学仪器的卓越典范。尤其是浑天仪，这种精密的科学仪器提供了极其优秀的观察天象的方法，对以后天文学的研究产生了很大的启发和借鉴作用。

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