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张衡所做的浑天仪是一种演示天球星象运动用的表演仪器。它的外部轮廓有球的形象，合于张衡所主张的浑天说，故名之为浑天仪。这架浑天仪在《晋书?天文志》中有三处记载。一处是在“天体”节中，其中引到晋代科学家葛洪的话说：“张平子既作铜浑天仪，于密室中以漏水转之，令伺之者闭户而唱之。其伺之者以告灵台之观天者曰：璇玑所加，某星始见，某星已中，某星今没，皆如合符也。”在“仪象”一节中又有一段更具体的细节描写：“张衡又制浑象。具内外规，南北极，黄赤道。列二十四气，二十八宿，中外星官及日、月、五纬。以漏水转之于殿上室内。星中、出、没与天相应。因其关戾，又转瑞轮■荚于阶下，随月盈虚，依历开落。”这里又称为浑象，这是早期对仪器定名不规范的反映，并不表示与浑天仪是两件不同的仪器。第三处则在“仪象”体之末，说到张衡浑天仪的大小：“古旧浑象以二分为一度，凡周七尺三寸半分也。张衡更制，以四分为一度，凡周一丈四尺六寸一分。”
从这三段记载可知，张衡的浑天仪，其主体与现今的天球仪相仿。不过张衡的天球上画的是他所定名的444官2500颗星。浑天仪的黄、赤道上都画上了二十四气。贯穿浑天仪的南、北极，有一根可转动的极轴。在天球外围正中，应当有一条水平的环，表示地平。还应有一对夹着南、北极轴而又与水平环相垂直的子午双环，双环正中就是观测地的子午线。天球转动时，球上星体有的露出地平环之上，就是星出；有的正过子午线，就是星中，而没入地平环之下的星就是星没。天球上有一部分星星永远在地平环上转动而不会落入其下。这部分天区的极限是一个以北极为圆心，当地纬度为半径的小圆，当时称之为内规。仿此，有一以南极为中心，当地纬度为半径的小圆，称之为外规。外规以内的天区永远不会升到地平之上。
张衡天球上还有日、月、五星。这7个天体除了有和天球一道东升西落的周日转动之外，还有各自在恒星星空背景上复杂的运动。要模拟出这些复杂的运动远不是古代的机械技术所能做到的。因此，应该认为它们只是一种缀附在天球上而又随时可以用手加以移动的一种附加物。移动的目的就是使日、月、五星在星空背景上的位置和真正的位置相适应。
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