張衡利用當時的機械技術，巧妙地把計量時間用的壺漏與渾象聯系起來，即以漏水為原動力，並利用漏壺的等時性，采用齒輪系統把渾象和表示時間的壺漏結合在壹起，以流水下落的力量帶動齒輪，通過齒輪的轉動帶動渾象每日均勻地繞軸旋轉壹周，達到可自動地與地球同步運轉的水平，自然而然地把天象演示出來。
水運渾象在中國古代天文學上具有重大的科學價值，是世界最早利用水力轉動的渾天儀。它在天文儀器史上占有重要地位，對中國後來的天文儀器影響很大。唐宋以來就在它的基礎上進行更完善的改進，發展成更復雜的天象表演儀器和世界最早的天文鐘。
地動儀是世界第壹架觀測地震的儀器，於公元132年制成。張衡把它放置在洛陽的靈臺，同渾象、渾儀、圭表、刻漏等天文儀器壹起，供觀測天文之用。
《後漢書·張衡傳》中記載著候風地動儀制造的情況及其形狀、構造和功能等情況。
候風地動儀用青銅鑄成，圓徑8尺，通高約11尺5寸，頂上有個凸起的可以啟閉的蓋子，外形像個酒壇子。地動儀的周圍按八方附設八條垂龍，八條龍口中各銜銅珠，地上並設八個向上張口的銅蟾蜍，與龍頭上下對應，候風地動儀利用慣性原理，在儀器內部中央，立有壹根“都柱”，即倒立狀的慣性震擺。圍繞都柱設有八條滑道，滑道上面裝有八組“牙機”，即傳動杠桿，其外端呈曲尺形，穿有樞軸，通出儀器外面與龍頭上頜接合。
壹旦發生較強烈的地震，“都柱”因震動失去平衡而觸動“八道”中的壹道，使相應的龍口中的銅球失控而掉入蟾蜍口中，發出聲響，用以報警。觀測人員根據銅球“振聲激蕩”便可知道地震發生的方向和時間。
候風地動儀靈敏度很高，最低可測地震烈度為三度左右的地震。據記載，曾接收到震中在隴西、而洛陽人未曾感受到的地震情況，開創了人類使用科學儀器觀測地震的歷史，為後人積累了許多防震抗震的知識和經驗。
張衡的候風地動儀是當時世界上遙遙領先的偉大發明，它的基本構造附合物理學的原理，比歐洲早了1700多年。