張衡連續做了6年的太史令，到安帝建興元年（公元121年），被調任公車司馬令。公車司馬令的官署設在皇宮的南闕門旁，職責是保衛皇帝的宮殿，通達內外奏章，接受全國官吏和人民的獻貢物品，以及接待各地調京人員等等。把科學家張衡調到這樣的壹個職位上，充分說明封建皇帝如何不重視科學，不讓有天才的人有充分發揮才能的機會。然而，就是在這樣的崗位上，張衡還是利用壹切可能利用的時間和精力，繼續進行學術研究。除了天文學以外，他還對數學、物理和機械制造等方面，下了很大的苦功。我們曾提到張衡的數學名著《算罔論》以及制造的計裏鼓車，指南車等等，都是在張衡就任公車司馬令時苦心鉆研的結果。
到順帝永建元年（公元126年），張衡又被調任太史令。這是張衡第二次做太史令。當時有壹些熱衷於名利的人乘機嘲笑張衡“輒積年不徒”，不得提升，諷刺他宦途不順，“去史官5載而復還，非進取之勢”，是倦鳥歸飛，仍回舊巢，攻擊張衡“與世殊技，固孤求是”。還有人把張衡創制的科學儀器看作是“屠龍之技”，認為是“藝成而下”的小道。也有人嘲笑張衡“不務正義”，認為張衡如果把精力用在作官上的話，早就能升官了。面對統治階級的冷遇和傳統勢力的冷嘲熱諷，張衡特地寫了壹篇名為《應間》的文章來答復這些“刻舟求劍，守株待兔”的目光短淺之人的嘲笑。
張衡在《應間》裏不僅清楚地表明了自己在研究學問上是抱著“約己博藝，無堅不鉆的信心和決心，以及“不恥祿之不夥，而恥智之不博”的謙虛態度；同時也表示自己不願同那些貪圖名利、目光短淺的人去爭長短，自己堅持著“方將師天老而友地典，與之乎高睨而大談”的廣闊胸懷。
除了渾天儀外，張衡在世界科學史上另壹個不朽的創造發明——地動儀，就是在他第二次擔任太史令期間研制成功的。發明於公元132年（陽嘉元年）的地動儀，是世界上第壹臺測定地震及其方位的儀器。地動儀的發明，在人類同地震作鬥爭的歷史上，寫下了光輝的壹頁，從此，開始了人類使用儀器觀測地震的歷史。
我國是壹個地震比較多的國家。幾千年來，我們的祖先壹直在頑強地同地震災害作鬥爭。早在3800多年前，我國便已經有了關於地震的記載。晉代出土的《竹書紀年》中記載，虞舜時“地圻（裂）及泉”，可能就是指的地震；最明確的報道，是夏代帝發7年（約公元前1590年）的“泰山震”，這是世界上最早的地震記錄；《詩經·小雅·十月之交》報道的地震情景說，“燁燁（yìyì，意為火光很盛）震電，不寧不令（意為不合時令，使人不安寧），百川沸騰，山冢（山頂）■（即斷“崩”）。據考證，這是周朝末年（公元前780年）陜西壹帶地震引起山崩的生動記載（前二句可能是“地聲”、“地光”結合的地震前兆）；公元前三世紀的《呂氏春秋》裏記載了“周文王立國8年（公元前1177年），歲6月，文王寢疾5日，而地動東西南北，不出國郊。”這壹記載明確指出了地震發生的時間和範圍，是我國地震記錄中具體可靠的最早記載。此外，在《春秋》、《國語》和《左傳》等先秦古籍中都有關於地震的記述，保存了不少古老的地震記錄。從西漢開始，地震就被作為災異記入各斷代史的“五行誌”中了。
東漢時期，我國地震比較頻繁。據《後漢書·五行誌》記載，自和帝永元4年（公元92年）到安帝延光四年（公元125年）的三十多年間，***發生了二十六次比較大的地震。漢安帝元初6年（公元119年），就曾發生過兩次大地震，第壹次是發生在2月間，京師洛陽和其他42個郡國地區都受到影響，有的地方地面陷裂，有的地方地下湧出洪水，有的地方城廓房屋倒塌，死傷了很多人；第二次是在冬天，地震的範圍波及8個郡國的廣大地區，造成了生命和財產的巨大損失。當時人們由於缺乏科學知識，對於地震極為懼怕，都以為是神靈主宰。
張衡當時正在洛陽任太史令，對於那許多次地震，他有不少親身經驗。張衡多次目睹震後的慘狀，痛心不已。為了掌握全國的地震動態，他記錄了所有地方上發生地震的報告，在他已有的天文學基礎上，經過長年孜孜不倦的探索研究，終於在他50歲的時候（公元132年），發明了世界上第壹架用於測定地震方向的地震儀—地動儀。
據《後漢書·張衡》記載，地動儀是用青銅鑄成的，形狀很象壹個大酒樽，圓徑有8尺。儀器的頂上有凸起的蓋子，儀器的表面刻有各種篆文、山、龜、鳥獸等花紋。儀器的周圍鑲著8條龍，龍頭是朝東、南、西、北、東北、東南、西北、西南8個方向排列的，每個龍嘴裏都銜著壹枚銅球。每個龍頭的下方都蹲著壹只銅鑄的蟾蜍，蟾蜍對準龍嘴張開嘴巴，象等候吞食食物壹樣。無論哪個地方發生了地震，傳來地震的震波，哪個方向的龍嘴裏的銅球就會滾出來，落到下面的蟾蜍嘴裏，發出激揚的響聲。看守地動儀的人聽到聲音來檢視地動儀，看哪個方向龍嘴的銅球吐落了，就可以知道地震發生的時間和方向。這樣壹方面可以記錄下準確的地震材料；同時也可以沿地震的方向，尋找受災地區，做壹些搶救工作，以減少損失。
漢順帝永和3年（公元138年）2月3日，安放在京城洛陽的地動儀的正對著西方的龍嘴突然張開，壹個銅球從龍嘴中吐出，掉在蟾蜍口中。可當時在京城洛陽的人們對地震沒有絲毫感覺，於是人們議論紛紛，懷疑地動儀不靈驗；那些本來就不相信張衡的官僚、學者乘機攻擊張衡是吹牛。可是沒隔幾天，隴西（今甘肅省東南部）便有人飛馬來報，說當地前幾天突然發生了地震。於是人們對張衡創制的地動儀“皆服其妙”。隴西距洛陽有1000多裏，地動儀標示無誤，說明它的測震靈敏度是相當高的。據《張衡傳》所記洛陽人沒有震感的情況來分析，地動儀可以測出的最低地震裂度是3度左右（按我國12度地震烈度表計），在1800多年前的技術條件下，這可以說是壹項非常偉大的成就。
張衡的地動儀創造成功了，歷史上出現了第壹架記錄地震的科學儀器。在國外，過了壹千多年，直到公元13世紀，古波斯才有類似儀器在馬拉哈天文臺出現；而歐洲最早的地震儀也是出現在地動儀發明1700多年以後了。
然而，由於封建王朝的統治者對於科學技術上的發明創造素來不加重視，所以張衡在地震方面的研究和發明，得不到他們的支持。地動儀創造出來以後，不僅沒有得到廣泛地推廣使用，就連地動儀本身也不知在什麽時候毀失了，這實在是科學技術史上的壹大損失。
張衡地動儀的內部結構原理，史書上的記載非常簡略，使人無法詳知，這是很令人遺憾的。在張衡以後，我國歷史上有幾位科學家對於地動儀有過專門的研究。例如南北朝時的河間（今河北省河間縣）人信都芳曾經把渾天、欹器、地動、銅烏、漏刻、候風等機巧儀器的構造，用圖畫繪寫出來，並且加以數學的演算和文字的說明，並把這些資料編成壹部名叫《器準》的科技名著；隋朝初年的臨孝恭也寫過壹本《地動銅儀經》的著作，對地動儀的機械原理，作了壹些說明。但是這些重要著作，也沒有能夠留傳下來。近代中外科學家做了不少研究工作，提出了壹些復原方案。1959年，中國歷史博物館展出了王振鐸復原的張衡地動儀模型。但是在準確測定地震方向的問題上，王振鐸的模型和《後漢書·張衡傳》中的記載仍有出入。
張衡地動儀的內部機械的具體構造，雖然早已失傳了，可是近年來我國的科學技術工作者，憑借他們所掌握的現代科學知識，依據《後漢書·張衡傳》的有關記載，參照考古資料，經過多方面的探索，終於考證推論出1800多年前張衡制造的地動儀的機構原理，並且設計了這座儀器的想象圖。
《後漢書·張衡傳》中所載地動儀“中有都柱，傍行八道，施關發機”，這是地動儀的主要結構。根據許多學者的反復研究，張衡地動儀的基本構造符合物理學的原理，它同近代地震儀壹樣，是利用物體力學的慣性來拾取大地震動波，從而進行遠距離測量的。這個原理到現在也仍然在沿用。王振鐸先生比較正確地推斷出這座儀器是由兩部分組成：壹部分是豎立在儀器樽形部位中央的壹根很重的銅柱，銅柱底尖、上大，相當於表達慣性運動的擺，張衡叫它作“都柱”；另壹部分是設在“都柱”周圍和儀器主體相接聯的八個方向的八組杠桿機械（即在都柱四周圍連接八根桿子，桿子按四面八方伸出），直接和八個龍頭相銜接）。這八根桿子就是《後漢書·張衡傳》中的“傍行八道”，也就是今天機械學上所說的“曲橫桿”。這兩部分都設置在壹座密閉的銅體儀中央。但因為“都柱”上粗下細，重心高，支面小，象個倒立的不倒翁，這樣便極易受震動——即令是微弱的震動——而傾倒。遇到地震時儀體隨之震動，只有“都柱”由於本身的慣性而和儀體發生相對的位移，失去平衡而傾斜，推開壹組杠桿，使這組杠桿和儀體外部相聯的龍嘴張開，吐出銅球，掉在下面的蟾蜍口中，通過擊落的聲響和銅球掉落的方向，來報告地震和記錄地震的方向。
張衡設計的地動儀，也是他的唯物主義自然學說的形象體現。地動儀的儀體似卵形，直徑和渾象同樣大，象征渾天說的天。立有都柱的儀器平底，表示大地，在天之內。儀體上雕刻的山、龜、鳥、獸象征山巒和青龍、白虎、雲雀、玄武二十八宿。乾、坤、震、巽、坎、離、艮、兌等八卦篆文表示八方之氣。八龍在上象征陽，蟾蜍在下象征陰，構成陰陽、上下、動靜的辯證關系。都柱居於頂天立地的地位，是按照古代“天柱”的說法作的布局。而其中的機關自然是采用了杠桿結構。
張衡的這壹卓越發明，不僅體現了科學家的智慧和創造精神，而且也反映了我國東漢時期的先進科學文化水平，這是令我們感到無比驕傲的。
除了地動儀外，張衡還創造了另壹個氣象學上的儀器，這就是候風儀。以前許多人以為“候風儀”和“地動儀”是同壹種儀器，據最近科學家的研究，這種認為是錯誤的。《後漢書·張衡傳》裏“陽嘉元年，復造候風、地動儀”這句話，是說張衡在當年同時創造了候風儀和地動儀兩個儀器。不過《後漢書·張衡傳》中沒有記載候風儀的構造。現在我們把有關候風儀的情況介紹壹下。
竺可禎先生在《中國過去氣象學上的成就》壹文裏寫道：“在氣象儀器方面，雨量器和風信器都是中國人的發明，算年代要比西洋早得多。《後漢書·張衡傳》：‘陽嘉元年，復造候風、地動儀。’《後漢書》單說到地動儀的結構，沒有壹個字提到候風儀是如何樣子的，因此有人疑心以為候風、地動儀是壹件儀器，其實不然。《三輔黃圖》是後漢或魏晉人所著的。書中說：“長安宮南有靈臺，高15仞，上有渾儀，張衡所制；又有相風銅烏，遇風乃動。’明明是說相風銅烏是另壹種儀器，其制法在《漢書》上雖然說得不詳細，但是根據《觀象玩占》書裏所說的：“凡俟風必於高平遠暢之地。立5丈竿，於竿者作盤，上作三足烏，兩足連上外立，壹足系下內轉，風來則轉，回首向之，烏口銜花，花施則占之。’即可以知道張衡的候風銅烏和西洋屋頂上的候風雞是相類似的。西洋的候風雞到12世紀的時候始見之於載籍，要比張衡候風銅烏的記載遲到1000年。”
除竺可禎先生的論證之外，另外還有三項有關候風儀的資料。（壹）、《後漢書·百官誌》中註載太史令的屬官有靈臺特詔42人，其中有3人是專管“候風”這壹項職務的。因此可知制造候風儀，觀測氣象，是張衡做太史令時職務範圍以內的事情；（二）、《西京雜記》中載皇帝儀仗隊裏有“相風烏車”壹項。依此我們可以推知“相風烏”這種儀器，不僅安置在靈臺上，同時也可以裝置在車輛上面。候風儀的發明可能是在張衡之前，張衡制造的候風儀雖然有所改進，但已不是特別突出的新發明，因而史籍也就不詳細記敘了；（三）、北魏時信都芳所著《器準》壹書，把地動、候風、銅烏並列做三項；隋代臨孝恭所著的《地動銅儀經》，不帶“候風”二字。因此，我們壹方面可以推想銅烏和候風這兩個器物的構造可能是不完全相同的；另壹方面，也可以認為地動儀和候風儀是兩種完全不同的儀器。
張衡在創造地動儀以外，制造了候風儀，是可以肯定的。通過這些論證，也可以窺見我國兩漢時代在氣象儀器上的創造和應用方面的部分情況；同時又證明張衡對職務認真負責，並能在科學研究上結合實際，善於學習前人的科學經驗而有所創新改進，是我國科學史上的偉大先驅者。