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浑仪是一观测仪器，内有窥管，亦称望管，用以测定昏、旦和夜半中星以及天体的赤道坐标，也能测定天体的黄道经度和地平坐标。浑仪由早期四游仪和赤道环组成。从汉代到北宋浑仪增加了黄道环、地平环、子午环、-仪、白道环、内赤道环、赤经环等。北宋的沈括取消白道环、改变一些环的位置。元代郭守敬取消了黄道环，并把原有的浑仪分为两个独立的仪器:简仪和立运仪后来不幸失传了，盖天、浑天两说并行，竞相争鸣，比较科学的浑天说渐占上风。同时，观测天象的仪器也不断出现，如武帝时洛下闳制造了浑天仪，宣帝时耿寿昌又造了浑天仪，和帝时崔瑗的老师贾逵更制造了黄道铜仪。
张衡继承和发展了前人的成果。任太史令后，他勤奋地研核阴阳，终于妙尽璇玑之正。元初四年(公元117年)，一件成就的铜铸浑天仪，被张衡造了出来。浑天仪主体是几层均可运转的圆圈，外层周长一丈四尺六寸。各层分别刻着内、外规，南、北极、黄、赤道，二十四节气，二十八列宿，还有中、外星辰和日、月、五纬等等天象。仪上附着两个漏壶，壶底有孔，滴水推动圆圈，圆圈按着刻度慢慢转动。于是乎各种天文现象便赫然展现在人们眼前。这件仪器被安放在灵台大殿的密室之中。夜里，室内人员把某时某刻出现的天象及-告给灵台上的观天人员，结果是仪器上、天上所现完全相符
公元104年，浑天仪雕塑，东汉和帝下令贾逵另制一架仪器，用来测量日月的运动，他在浑仪上增设了黄道环，以黄道来测量日月运动，这就是我国历架黄道铜仪。贾逵用他的黄道铜仪来测量日月的运动，发现太阳的运动显得均匀了(其实也应该是不均匀的，因他的仪器精度不够，当时也没有这样的认识)，而月亮的运动仍是不均匀的。贾逵根据自己的实际观测，得出结论：月亮的运动是不均匀的。这一发现是改进仪器得到的个结果，它导致了历法的进步，也丰富了人们对天体运动的知识，为以后太阳运动不均匀的发现打下了思想基础。
为了使浑天仪能够按照时刻自己转动，张衡又设计了一组滴漏壶。滴漏壶是古代测知时刻的仪器，它用一个盛水的器皿，下面开个小孔，水一滴一滴流到刻有时刻记号的壶里，人们只要看到壶里水的深浅，就可以知道是什么时刻。当时没有发明钟表，我们的祖先就用它来测定时刻。张衡运用这个原理，设计了一组滴漏，巧妙地应用两个壶和浑天仪配合起来，利用壶中滴出来的水的力量来推动齿轮，齿轮再带动浑天仪运转，通过恰当地选择齿轮个数，巧妙地使浑天仪一昼夜转动一周，把天象变化形象地演示出来，人们就可以从浑天仪上面观察到日月星辰运行的现象。
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