张衡自小好学不倦，贫困的生活激励张衡自幼好学。张衡的思想开阔，不喜欢受传统观念的束缚。可以不受拘束地多闻博学。由于他虚心好学，勤奋努力，进步很快，达到了贯通五经、六艺的地步，成为学识比较渊博的学者。张衡在洛阳结识了不少朋友，这些人都是和他志趣相投的著名学者和优秀青年，如著名的词赋家马融、贤士窦章、政论家王符、学者崔瑗等。在这些朋友中，崔瑗对张衡的影响最大。崔瑗对于天文、数学、历法有精深的研究，他们经常在一起研究问题，交换心得，交情也最深。这对于张衡以后研究天文、历数等科学并获得巨大成就有很大影响。
在太史令任内，张衡有许多杰出的成就：他精通天文历法，大大增加所观察到的恒星数到2500多个，制作世界上最早利用水力转动的浑天仪和世界上第一架地震仪-地动仪，以及侯风仪、瑞轮蓂荚（自动的日历，已失传）、记里鼓车、指南车等多项器具。
张衡对于其长期观察研究天文的心得，收录于其著作《灵宪》当中，并将前人有关天文的学说，做有系统的整理与归纳。在这篇文章中他已能以光的直进现象解释日、月食的成因；另外他又将自己研究浑天仪的心得，写成《浑天仪图注》。
除了科学上的成就，张衡在文学史上也有重要地位，他曾经花了十年的时间写成《二京赋》，讽刺当时社会的奢侈。他的诗、赋如《思玄》、《归田》、《四愁诗》等，更一扫汉赋铺排、堆积、模拟的恶习，以平浅清丽字句，抒写个人的胸怀，人生的理想，田园的生趣，道家的哲学，使人感到活泼与亲切，为汉赋带来无限的生机。
张衡在天文上的成就，不仅在我国，甚至在世界天文学上占有重要的位置，受到极大的推崇。公元1970年，国际上用张衡的名字来命名月球背面的一座环形山；公元1977年，一颗编号为1802的小行星，也用他的名字来命名。
张衡根据易经八卦为原理，以及六年的艰苦努力之下，终于在公元132年，发明了世界上第一台测定地震方位的科学仪器──地动仪。在其他民族还在用神话传说解释地震时，张衡已经设计出世界上最早的地震测量一起-地动仪。这是人类文明史上用科学方法认识地震的第一次勇敢尝试。他揭开了地震科学的新纪元。在张衡成功研究地动仪之后，又经过1748年，欧洲才制造出同地动仪相类似的仪器。
在任尚书郎期间，张衡还制订了一种新历法，称为九道法。它比西汉所创的太初历和当时使用的四分历都要精密。但由于保守与习惯势力反对，未能实行。
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