蔡伦在研究如何改进造纸法的时候，有一位二十多岁的青年科学家在进行另外一项有重大意义的科学研究工作，他想要探索天体运行和地震的规律。这位科学家就是张衡。
张衡字平子，南阳(今河南省南阳市)人，幼年家境贫寒，靠亲戚朋友的帮助度日。这种艰苦的环境，不仅使张衡了解了劳动人民的生活疾苦，还促使他立下了发奋读书的志向。张衡谦虚好学，十多岁的时候就能写出很好的文章。他十八岁到洛阳进了太学以后，熟读了四书五经，成了一个学识丰富的青年学者。
张衡的学问虽然超过了别人，可是他一点儿也不骄傲，仍然十分虚心地向别人的长处学习,进一步丰富自己的学识。汉和帝刘肇听说张衡的学识丰富，几次派人请他去做官，他都没有去。他常常对别人说:“一个人不愁自己的地位不高，而是应当担心自己的道德品质不够高尚;一个人也不愁得到的报酬太少，而是应当担心自己的知识学问不够广博。”张衡最感兴趣的是研究机械、天文、历法、数学等自然科学。他为了解决一个问题，制造一种仪器，常常可以一连几天不间断地工作，直到做成功为止。据说张衡用木头制造过一只会飞的鸟，这只木鸟能在天空中盘旋翱翔，只要它的翅膀一下垂，就会乖乖地飞回到原来出发的地方。可惜的是这种木鸟的制造方法并没有流传下来。
汉安帝刘祜听说张衡学识渊博，召他到朝廷去做了太史令，叫他负责管理天文历法方面的工作。
张衡做了太史令以后，为了工作上的需要，制造了一个叫做浑象的仪器。
浑象是一种天文仪器，是观测星象、确定节气和了解其他天文现象用的。它是一个直径八尺的空心铜球，里面有一根铁轴贯穿球心。球放在架子上倾斜的方向，正好是地球自转轴的方向。铜球表面刻有各种重要的星宿和刻度，代表天空中的星座和天象运行的情况。这个浑象连接在装有一组齿轮的机构上，机构再跟报时的漏壶连接起来，漏壶里滴出来的水能驱动齿轮，齿轮就会带动浑象绕着铁轴旋转，一天转一周，能够比较准确地反映出天象运行的情况。浑象制造成功以后，张衡坐在屋子里看到仪器说:现在某一颗星星正在从东方升起，某一颗星星已经升到天空中间，某一颗星星正在向西方降落。人们跑到屋外去看天空，发现天空的情况和张衡说的基本上一样。事实证明张衡发明的浑象是古代比较精确的天文仪器。
接着，张衡又发明了一个观测地震用的地动仪。
东汉时候，我国各地常常发生地震。根据历史记载:从汉和帝永元八年(公元96年)到汉安帝延光四年(公元125年)的三十年中，有二十三年发生过较大的地震。安帝建光元年(公元121年)九月的一次大地震，波及三十五个郡，有的地方大地裂缝，有的地方城墙和房屋倒塌，死伤的人很多。古代的人大都迷信鬼神，一发生地震，人们就以为这是鬼神在显灵，害怕得不得了。什么地方发生了地震，地方官要赶快向京城里报告，由太史令把它记录下来，迟误了就要判罪。
张衡是个科学家，不迷信鬼神，他认为地震是一种自然灾害，人们不但要记录地震的情况，并且应当研究地震的规律。他为了充分掌握地震的情报，就在汉顺帝阳嘉元年(公元132年)发明了一架地动仪。地动仪用精铜铸成，直径八尺，很像一个大酒坛。顶上有个突起的盖子，可以打开。周围刻着山龟鸟兽的花纹，作为装饰。里面中心立着一根上粗下细的柱子，柱子紧挨着八道机关。和八道机关相连接的是趴在外面头朝下的八条龙。
八个龙头分别对准着东、东北、北、西北、西、西南、南、东南八个方向。每个龙头的嘴里都衔着一个铜球。八个龙头的底下，蹲着八个铜铸的昂首张嘴的蛤蟆。什么地方发生了地震，中间的立柱就倒向震区所在的方向，触动那个方向的机关，连接在那个机关上的龙头就张开嘴巴，吐出铜球，铜球就会掉进蛤蟆的嘴里，并且发出“当啷”的响声，给管理人员报信。管理人员只要一看铜球落进哪只蛤蟆的嘴里，就能知道什么方向发生了地震，以便及时报告上司，赶快派人去了解情况。
地动仪制造成功以后，放在京城洛阳一间观测地震的屋子里。有一天，西北方的龙头突然张嘴吐出铜球,“当啷”一声，铜球掉到了蛤蟆嘴里，说明西北方向发生了地震。可是当时住在洛阳的人并没有感觉到发生地震。这样，人们就怀疑起来了,都说张衡的发明靠不住,地动仪这东西不准确。过了几天，陇西地方(今甘肃省)派人赶到京城洛阳来报告，说几天以前他们那里发生了地震，一查对日期，正好就是地动仪上吐出铜球的那一天。人们这才相信张衡发明的地动仪是准确可靠的。
张衡发明的地动仪是世界上第一架记录地震的仪器，欧洲在公元1880年才制造出类似的仪器，比张衡晚了一千七百多年。可以说:张衡发明的地动仪，是人类历史上用科学方法观测地震的开始，它揭开了地震科学的新纪元。
