成《灵宪》《算罔论》等书籍，论述极其详尽。
汉顺帝初年，张衡又两次转任，又做了太史令之职。张衡不趋附当时的那些达官显贵，他所担任的官职，总是多年得不到提升。自他从太史令上离任后，过了五年，又回到这里。顺帝阳嘉元年，张衡又制造了候风地动仪。这个地动仪是用纯铜铸造的，直径有8尺，上下两部分相合盖住，中央凸起，样子像个大酒樽。外面用篆体文字和山龟鸟兽的图案装饰。内部中央有根粗大的铜柱，铜柱的周围伸出八条滑道，还装置着枢纽，用来拨动机件。外面有八条龙。龙口各含一枚铜丸，龙头下面各有一个蛤蟆，张着嘴巴，准备接住龙口吐出的铜丸。仪器的枢纽和机件制造得很精巧，都隐藏在酒樽形的仪器中，覆盖严密得没有一点缝隙。如果发生地震，仪器外面的龙就震动起来，机关发动，龙口吐出铜丸，下面的蛤蟆就把它接住。铜丸震击的声音清脆响亮，守候机器的人因此得知发生地震的消息。地震发生时只有一条龙的机关发动，另外七个龙头丝毫不动。按照震动的龙头所指的方向去寻找，就能知道地震的方位。用实际发生的地震来检验仪器，彼此相符，灵验如神。从古籍的记载中，从来没有这件事。有一次，一条龙的机关发动了，可是洛阳并没有感到地震，京城的学者都奇怪它这次没有应验。几天后，驿站上传送文书的人来了，证明果然在陇西地区发生地震，大家这才都叹服地动仪的绝妙。从此以后，朝廷就责成史官根据地动仪记载每次地震发生的方位。当时政治昏暗，中央权力向下转移，张衡于是给皇帝上书陈述这些事。后来被升为侍中，皇帝让他进皇宫，在皇帝左右，对国家的政事提意见。
汉顺帝永和初年，张衡调离京城，担任河间王的相。当时河间王骄横奢侈，不遵守典章制度;又有很多豪族大户，与河间王一起胡作非为。张衡上任之后治理严厉，整饬法令制度，暗中查知奸党的姓名，一下子同时逮捕，拘押起来，于是上下敬畏恭顺，称赞政治清明。张衡在河间相位上任职三年，给朝廷上书，请求辞职回
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