《后汉书·张衡传》中所载地动仪“中有都柱，傍行八道，施关发机”，这是地动仪的主要结构。根据许多学者的反复研究，张衡地动仪的基本构造符合物理学的原理，它同近代地震仪一样，是利用物体力学的惯性来拾取大地震动波，从而进行远距离测量的。这个原理到现在也仍然在沿用。王振铎先生比较正确地推断出这座仪器是由两部分组成：一部分是竖立在仪器樽形部位中央的一根很重的铜柱，铜柱底尖、上大，相当于表达惯性运动的摆，张衡叫它作“都柱”；另一部分是设在“都柱”周围和仪器主体相接联的8个方向的8组杠杆机械（即在都柱四周围连接8根杆子，杆子按四面8方伸出），直接和8个龙头相衔接）。这八根杆子就是《后汉书·张衡传》中的“傍行八道”，也就是今天机械学上所说的“曲横杆”。这两部分都设置在一座密闭的铜体仪中央。但因为“都柱”上粗下细，重心高，支面小，像个倒立的不倒翁，这样便极易受震动，即令是微弱的震动也倾倒。遇到地震时仪体随之震动，只有“都柱”由于本身的惯性而和仪体发生相对的位移，失去平衡而倾斜，推开一组杠杆，使这组杠杆和仪体外部相联的龙嘴张开，吐出铜球，掉在下面的蟾蜍口中，通过击落的声响和铜球掉落的方向，来报告地震和记录地震的方向。
张衡设计的地动仪，也是他的唯物主义自然学说的形象体现。地动仪的仪体似卵形，直径和浑象同样大，象征浑天说的天。立有都柱的仪器平底，表示大地，在天之内。仪体上雕刻的山、龟、鸟、兽象征山峦和青龙、白虎、云雀、玄武二十八宿。乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑等八卦篆文表示八方之气。八龙在上象征阳，蟾蜍在下象征阴，构成阴阳、上下、动静的辩证关系。都柱居于顶天立地的地位，是按照古代“天柱”的说法作的布局。而其中的机关自然是采用了杠杆结构。
张衡的这一卓越发明，不仅体现了科学家的智慧和创造精神，而且也反映了我国东汉时期的先进科学文化水平，这是令我们感到无比骄傲的。
除了地动仪外，张衡还创造了另一个气象学上的仪器，这就是候风仪。
以前许多人以为“候风仪”和“地动仪”是同一种仪器，据最近科学家的研究，这种认为是错误的。《后汉书·张衡传》里“阳嘉元年，复造候风、地动仪”这句话，是说张衡在当年同时创造了候风仪和地动仪两个仪器。不过《后汉书·张衡传》中没有记载候风仪的构造。现在我们把有关候风仪的情况介绍一下。
竺可祯先生在《中国过去气象学上的成就》一文里写道：“在气象仪器方面，雨量器和风信器都是中国人的发明，算年代要比西洋早得多。《后汉书·张衡传》：‘阳嘉元年，复造候风、地动仪。’《后汉书》单说到地动仪的结构，没有一个字提到候风仪是如何样子的，因此有人疑心以为候风、地动仪是一件仪器，其实不然。《三辅黄图》是后汉或魏晋人所著的。书中说：‘长安宫南有灵台，高15仞，上有浑仪，张衡所制；又有相风铜乌，遇风乃动。’明明是说相风铜乌是另一种仪器，其制法在《汉书》上虽然说得不详细，但是根据《观象玩占》书里所说的：‘凡俟风必于高平远畅之地。
立5丈竿，于竿者作盘，上作三足乌，两足连上外立，一足系下内转，风来则转，回首向之，乌口衔花，花施则占之。’即可以知道张衡的候风铜乌和西洋屋顶上的候风鸡是相类似的。西洋的候风鸡到12世纪的时候始见之于载籍，要比张衡候风铜乌的记载迟到1000年。”
除竺可祯先生的论证之外，另外还有三项有关候风仪的资料。（一）《后汉书·百官志》中注载太史令的属官有灵台特诏42人，其中有3人是专管“候风”这一项职务的。因此可知制造候风仪，观测气象，是张衡做太史令时职务范围以内的事情。（二）《西京杂记》中载皇帝仪仗队里有“相风乌车”一项。依此我们可以推知“相风乌”这种仪器，不仅安置在灵台上，同时也可以装置在车辆上面。候风仪的发明可能是在张衡之前，张衡制造的候风仪虽然有所改进，但已不是特别突出的新发明，因而史籍也就不详细记叙了。（三）北魏时信都芳所著《器准》一书，把地动、候风、铜乌并列做三项；隋代临孝恭所著的《地动铜仪经》，不带“候风”二字。因此，我们一方面可以推想铜乌和候风这两个器物的构造可能是不完全相同的；另一方面，也可以认为地动仪和候风仪是两种完全不同的仪器。
在创造地动仪以外，张衡还制造了候风仪，是可以确定的。通过这些论据，可以窥见我国两汉时代在气象仪器上的创造和应用方面的部分实情；同时又证明张衡对工作认真负责，并且能在科学研究上联系实际，善长于学习前人的科学经验而有所革新和改进，是我国科学史上的伟大先行者。
反对谶纬
张衡之所以能在科学上做出卓越的成就，成为彪柄史册的科学家，与他坚持唯物观点、反对唯心主义和迷信思想有密切的联系。
东汉时代，流行“谶（chèn）纬文学”“谶”是巫师或方士制作的一种隐语或预言，作为吉凶的符验或征兆；“纬”是方士化的儒生编集起来附会儒家经典的著作。“谶纬”是以封建迷信来解释书籍经典、穿凿附会、用来预卜吉凶的一种学说。因为有的“谶”有图有字，所以也叫“图谶”。它的基本思想是宣扬“王权神授”、“天人感应”等唯心思想，因此很受统治者的推崇，被尊为朝章国典。
谶纬之学兴起于西汉时期。汉代统治者的御用学者，在巫师和方士编造出来的阴阳五行说的基础上，编造了许多寓言性的谶语，妄称汉朝刘氏皇族是“膺受天命”来统治世间的，并且附会这些是周公、孔子或其他古圣先贤的话。这显然是用来欺骗人民的谬说。西汉统治者就利用谶纬来麻醉人民的反抗情绪，巩固自己的统治地位。西汉末年，王莽就是利用假造出来的叫王莽“应天承命”做皇帝的符命，顺利地达到他篡夺西汉政权的目的的；东汉王朝的第一位皇帝，光武帝刘秀更是把“谶纬”定为东汉王朝政治学术思想的重要内容。
光武帝刘秀一直对谶纬迷信深信不疑。当初刘秀平定河北之后，他的部下几次拥立他做皇帝，都被他拒绝了。后来，刘秀的同学疆华带来了《赤伏符》，上面写道：“刘秀发兵捕不道，四夷云集龙斗野，四七之际（“四七”
指二十八；从公元前202年汉高祖刘邦建国称帝，到公元25年刘秀自称皇帝，相距228年，即所谓“四七之际”）火为主”几句话，使他马上同意即皇帝位；自然，这些图谶是刘秀集团内部的人假造出来的，目的是使刘秀政权有更大的群众基础，同时打击敌对势力。刘秀作了东汉皇帝后，更加大力提倡“谶纬”。在中元元年（公元56年），他下达诏书，宣布图谶于天下，把图谶定为全国功令（法令）必读书。从此，图谶成为主宰东汉王朝的思想法令。
荒诞不经的迷信思想弥漫到社会的每一个角落，成为东汉无孔不入的统治思想。
东汉儒生做大官的，多半是妖妄人或附和妖妄人的庸鄙人，反对谶纬的读书人是绝对做不了大官的。自光武帝以下的东汉统治者，都迫切希望依靠谶纬的帮助，企图用这贴麻醉剂来麻痹人民，也麻痹自己，以缓和社会矛盾，延长王朝的寿命。
东汉初年，谶纬迷信已闹得乌烟瘴气。只有少数头脑比较清醒的学者，依据朴素的唯物主义思想和朴素的儒家人文主义的思想，对谶纬中的“奇怪虚诞之事”加以批判。如当时有名的古文经学大师桓谭，他坚决不相信谶纬，认为全是妖妄之言。他给光武帝上疏，指斥图谶是巧慧小才的人捏造出来，用以欺惑世人的。光武帝大怒，责骂桓谭“非圣无法”，要将桓谭斩首。桓谭被吓呆了，连连叩头求饶。光武帝看到满脸鲜血的桓谭痛哭流涕，才动了恻隐之心，罢了他的官职，放了外任。被放逐出京的桓谭郁郁不乐，不久就病死在半路上，当时他已是个70多岁的老人。桓谭写下多篇反谶纬的著作，收在《新论》一书中。在谶纬流行的东汉时代，这些著作大都亡矣，只留下一小部分。其他文官如郑兴、尹敏对图谶表示怀疑，虽他们才高八斗，也都遭到光武帝的斥责和放逐。
比桓谭稍晚的王充（公元27—97年），是东汉杰出的唯物主义思想家，曾著《论衡》一书，其中有许多篇章都激烈地批判了谶纬迷信的虚妄，并对谶纬符瑞学说严加驳斥。他从唯物论的认识论出发，批判了董仲舒鼓吹的“天人感应”，认为这些神权思想是衰乱时代的产物，是封建统治者主观臆造出来的；他针对当时儒者捏造“圣人”、“前知千岁，后知万世”的奇谈，指出这是“后人札记以明效验”的，揭穿了当时把孔子神化的虚妄。王充指出，帝王和人民在本质上都是一样的人，图谶捏造附会，想把帝王扮演成与众不同的神圣，那完全是骗人的谎言；王充鲜明地指出人世间根本没有鬼，说：
“人，物也；鬼，亦物也。物死不为鬼，人死何独为鬼？”他论证说，人死血脉就枯竭，就没有精气，尸体化为灰土，怎能变成鬼呢？王充站在朴素唯物主义的立场上，根据当时的科学认识，在谶纬迷信泛滥的条件下，坚定有力地提出无鬼论的观点，这是非常难能可贵的。王充在《论衡》中提出了许多卓越的科学思想和先进的政治主张，他本人也博学多才，只因坚持唯物主义的认识论，对封建谶纬迷信采取坚决的批判态度，所以始终受到封建统治阶级的压制和排斥。
光武帝死后，汉明帝继续提倡谶纬。当时的图谶《河图括地象》里就出现了“十代，礼乐文雅并出”等论调。因为从汉代高祖刘邦到东汉明帝刘庄，刚好是十代。永平3年（公元60年），由于《尚书璇玑铃》（纬书的一种）里有“帝汉出，德洽作乐，名予”，明帝便把郊庙之乐改名“太予乐”，乐官也改称为“太予乐宫”，以应合谶纬。此后，汉章帝又在章和元年（公元87年）特令博士曹褒参考西汉旧典，并掺杂引用“五经、谶记之文”，编订成《汉礼》150卷。
汉安帝时，又有人主张根据图谶来改订历法。
西汉初年，社会上一直沿用秦朝时使用的《颛顼历》，《颛顼历》使用到汉武帝时已经有些同天象不符，汉武帝于是在太初元年（公元前104年）改用《太初历》。《太初历》因岁实（按《太初历》以36525016224为一年，称为“岁实”）和朔策（按《太初历》推定以2953086419为一月，称为“朔策”）都与实际上相差很远，故沿用到东汉初年，也逐渐和天像不符。
汉章帝时，章帝命令治历官编撰、李梵等人研究校订《太初历》的差误，改用四分法编定了《四分历》，在元和二年（公元85年）正式颁布实行。《四分历》是在《颛顼历》和《太初历》的基础上加以进一步修订的。永元年间（公元89-104年）又参校了贾逵所提出的月亮运行有快慢的“九道法”，订正了《四分历》，所以可以说《四分历》是东汉时期最进步的历法了。
东汉时期，一般学者都在大谈“谶纬图录”，鬼话连篇，借以谋求富贵。
汉安帝延光2年（公元123年），中谒者诵建议根据图谶改订当时所用的《四分历》，用“甲寅元”（即殷历）来代替《四分历》；河南人梁丰也建议再用《太初历》。于是朝廷群臣对于改订历法展开了大辩论，议论纷纭。
当时的太尉刘恺、侍中施延等84人的议论与诵的改历主张附和，因此他们上秦称：“甲寅元与天相应，合图谶，可施行。”另一批官僚如河南尹祉、太子舍人李弘等40人则反对用“甲寅元”，他们的理由是：“元和变历以应《保乾图》三百岁斗历改宪之文，《四分历》本起图谶，最得其正，不宜易。”
改与不改的根据都是图谶，可见图谶已变为一些官僚升官发财的一种手段，其内容的混乱更不用提。只有张衡和另外一位天文学家、尚书郎周兴坚决反对恢复古历。他们根据自己多年对天象的观测，对各种历法作了深入的研究、比较，认为“九道法”最为精密，提出判定历法好坏的依据主要是与天象是否相符。在争辩中，张衡提出：“天之历数，不可任疑从虚，以非易是。”
意思就是说：历法只能按照自然界的本来情况来编订，而不能任凭主观的推测加以歪曲和增减。经过反复的辩论，诵、梁丰等人被驳得张口结舌，他们根本就对历法一窍不通，只是借用图谶来故弄玄虚。因此，朝廷无法采用诵、梁丰的建议，四分法也就得以继续沿用。这次辩论是我国历法史上唯物主义对唯心主义斗争的一个胜利。
张衡不仅反对利用图谶之学来牵强附会地修改历法，也反对用“图谶之学”作为太学考试的内容。
在顺帝永建六年（公元131年），东汉政府曾采纳图谶专家翟的建议，扩建太学的学舍。阳嘉元年（公元132年），太学新建工程完成了，共有240房，1850室。太学里特别为翟树立石碑，刻上铭文来纪念他。太学在形式上是发展了，但是许多谶纬图录等类的书籍也由此开始被增加到博士弟子们的学习内容中。在东汉时期，“七经纬”被称为“内学”，原有的五经被称为“外学”，可见谶纬的地位反而在五经之上了。于是，张衡就在阳嘉元年特别上奏章议论贡举问题，他在奏章中说：当今报考太学的诸生，在做文章时为了争名竞利，多有剽窃成文，虚冒姓名，甚至竟达到“连偈俗语，有类俳优”。张衡明确地指责了当时士人的虚伪和文章的芜杂。
在张衡看来，图谶绝非“圣人”所做，既无效验，也不足凭信。公元133年，张衡更特别上奏章揭露图谶的虚妄。这篇名为《请禁绝图谶疏》的奏章的大意是：“谶书是什么时候开始出现的，这个问题很少能有人回答得出。
当汉取秦时，尽力打仗，竟获得成功，这真可以说是一件大事，但那时是没有人引证图谶的；这是最喜欢讲述数的象夏候胜、眭孟这些人，也没有提到过谶书。刘向父子校订国家秘藏图书，看遍了先秦各学术流派（即儒、墨、法、道、名、杂、农、阴阳、纵横九家）的著作，也没有把谶书编入他们的目录。直到汉成帝、汉哀帝之后，才听说有这种东西。它们的著作时代也便可想而知了！我们试用谶来比经、甚至用谶来比谶，其中矛盾冲突的地方不知道有多少！况且纬书里说到战国时的墨翟、汉代的益州，图中的内容却终止于汉成帝，可见谶书完全是胡诌瞎说，前后矛盾，不可取信。这哪里会是孔子做的！这一定是虚伪之徒想升官发财，才造出这些谣言。从前侍中贾逵曾摘录谶书中互相矛盾的30多条去问善于讲谶的人，他们也都说不出个所以然来。王莽篡位是汉代的大祸，要是这81篇（即指《河洛》45篇，《六艺》36篇，共计81篇）早就有了，为什么不预先加以警戒呢？由此可知，图谶产生于哀帝、平帝在位期间。现在《河洛》、《六艺》诸谶纬都已校定，成为经典，后来有人在此基础上又附加和篡改了一些东西，甚至还用这些来推断会发生水灾，有的人听说此事，不惜丢弃了家业，跑到山上以避水灾。可实际上根本没有什么水灾。既然预测后事不灵验，便有人专门编造一些事情来验证先前发生过的事。而后来汉朝顺帝竟又恢复了帝位，这他们便测不出来了。这还有什么可信的！大家之所以偏爱谈论虚伪的图谶，不肯研究实际的学问，正如画工不愿画犬马，而喜欢画鬼怪一样。原因是鬼怪无形，可以随便涂抹，而狗马是人人常见的动物，画得不像是不行的。因此，我请求，把所有的图谶一律清查出来，加以禁绝。这样，正邪便不再有所混乱，经典著作也不会再被玷污！”
我们在前面曾说过，谶纬充满神学迷信的内容，为东汉王朝的国典。
若有人反对图谶，也即反对汉朝的皇权，就会被当权者认为是“非圣天法”，必然遭到压制和迫害。但作为一名正直、严谨的科学家，张衡始终坚持了他所认为正确的见解，他毅然地突破了学术上迷信的气氛，公开斗胆去冒犯当时的朝章国典，明确提出了反对图谶的观点，向皇帝上疏讨论和争取，建议把图谶全部禁绝。这充分地表现了张衡坚持真理、反对谬误、不怕权势、勇于斗争的高尚精神。同时也说明了张衡不但是一个优秀的科学家，在政治思想斗争上也站在了最前列。当然他的出发点与王充不同。王充是从唯物论和天神论的立场出发，从根本上反对这一套鬼话；而张衡则没有他那么彻底，甚至对阴阳五行的观点，还持保留的态度。张衡的立足点仍是为了维护封建统治，所以他虽然反对图谶，却还是为儒家学说辩护，担心孔子等“圣人”被妖化了。这就是张衡思想上局限性的体现。