張衡是南陽西鄂人，小時候他家很窮，吃頓飽飯都是難事。這種艱苦的生活，沒有磨滅他的心性，反而讓他刻苦好學，奮發向上，從小就博覽群書，為他後期的大放異彩打下堅厚的基礎。後來他到了西京長安，後來又進了京城洛陽的太學，在太學裡日夜苦讀，成為了很有學問的學者。
張衡二十三歲那年回了家鄉，在南陽太守底下做事，一面操辦政務，一面從事文學創作，曾經花了十年的時間，寫出文學著作《東京賦》和《西京賦》，合稱《二京賦》。《二京賦》描寫了長安和洛陽的繁華景象，揭露了貴族的腐朽寄生生活，寫得很出色，當時得到了很多人的贊賞。
公元110年的時候，張衡進京做了郎中，後來又做了太史令，主要做觀測天象的工作。其中他做太史令的時間最久，前後有十餘年。在這段時間，他潛心鑽研天文曆算，終于在此方面取得了卓越的成就。
當時有一種比較先進的天文學說，叫渾天說。渾天說認為天是渾圓的，天像蛋殼，地像蛋黃，在天的中間，日月星辰都在蛋殼上不停轉動。
公元110年，張衡進京擔任郎中，後來又擔任太史令，主持觀測天象的工作。他做太史令最久，前後有十餘年。他專心鑽研天文曆算，終于在這方面取得了卓越的成就。這個渾天儀利用水力來轉動，當時人們在屋子裡觀看儀器，就可以知道哪顆星從東方升起，哪顆星從西方落下。
而最讓張衡出名的，是地動儀。地動儀是用銅制成的，形狀像酒樽，内部中間豎着一根粗大的柱子，柱子的周圍有八根橫杆連接在外面，外面有八條龍，龍頭朝下，按八個方向排列，龍嘴裡各銜着一個小銅球，下面蹲着八隻張嘴的蟾蜍。
如某一方向發生地震，柱子就倒向那個方向的橫杆，那個方向的龍嘴就吐出銅球，落到蟾蜍嘴裡。
這樣，人們就可以知道什麼方向發生地震了。公元138年，地動儀西邊一個銅球掉下來，表示西方發生地震。但當時洛陽的人沒有感覺到，大家懷疑地動儀是否準确。不久，隴西派人來報告，就在地動儀龍頭吐球那天，那裡發生了地震。
張衡在學術方面的成就是多方面的，除了渾天儀、地動儀，他還發明了測定方位的候風儀，制成了當時隻是在傳說中有過的指南車。
在數學方面，他算出了圓周率比10的平方根3.16多一點。在地理學方面，他繪制有地形圖。在藝術方面，他是東漢著名的畫家。在文學方面，除了前面提到的《二京賦》，他還寫過很多作品，在我國文學史上占有一定的地位。
隻可惜那個時候的宦官勢力很大，張衡經常受到排擠，最後被調離京城，雖然在六十一歲的時候又調回京城，但沒兩年他就病死了。
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