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張衡在天文學方面著有《靈憲》《渾儀圖注》等；數學著作有《算罔論》；文學作品以《二京賦》《歸田賦》等為代表，與司馬相如、揚雄、班固並稱「漢賦四大家」。《隋書·經籍志》有《張衡集》14卷，已經散佚。

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明代學者張溥輯有《張河間集》。張衡為中國天文學、機械技術、地震學的發展作出了傑出的貢獻，發明了渾天儀、地動儀，是東漢中期渾天說的代表人物之一，後人譽為「木聖」 。公元132年（陽嘉元年），張衡在太史令任上發明了最早的地動儀，稱為候風地動儀。

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據《後漢書·張衡傳》記載：地動儀用精銅鑄成，圓徑八尺，頂蓋突起，形如酒樽，用篆文山龜鳥獸的形象裝飾。中有大柱，傍行八道，安關閉發動之機。它有八個方位，每個方位上均有一條口含銅珠的龍，在每條龍的下方都有一隻蟾蜍與其對應。任何一方如有地震發生，該方向龍口所含銅珠即落人蟾蜍口中，由此便可測出發生地震的方向。

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張衡在西漢耿壽昌發明的渾天儀的基礎上，根據自己的渾天說，創製了一個比以前都精確、全面得多的「渾天儀」。張衡製造的指南車利用機械原理和齒輪的傳動作用，由一輛雙輪獨轅車組成。車箱內用一種能自動離合的齒輪系統，車箱外殼上層置一木刻仙人，無論車子朝哪個方向轉動，木人伸出的臂都指向南方。

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張衡創造的計裡鼓車是用以計算裡程的機械。據《古今注》記載：「記裡車，車為二層，皆有木人，行一裡下層擊鼓，行十裡上層擊鐲」。記裡鼓車與指南車製造方法相同，所利用的差速齒輪原理，早於西方1800多年。