理論背景
張衡改進渾天儀渾天說是中國古代的一種重要宇宙理論，認為“渾天如雞子，天體圓如蛋丸，地如雞中黃”，天內充滿了水，天靠氣支撐著，地則浮在水面上。渾儀和渾象是反映渾天說的儀器，即是“物化”和“渾天說”。
組成構造
渾天儀詳細結構渾天儀是渾象和渾儀的總稱。
渾象的構造是一個大圓球上刻畫或鑲嵌星宿、赤道、黃道、恆穩圈、恆顯圈等，類似天球儀。
渾儀是一觀測儀器，內有窺管，亦稱望管，用以測定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道坐標，也能測定天體的黃道經度和地平坐標。渾儀由早期四游儀和赤道環組成。從漢代到北宋渾儀增加了黃道環、地平環、子午環、六合儀、白道環、內赤道環、赤經環等。北宋的沈括取消白道環、改變一些環的位置。元代郭守敬取消了黃道環，並把原有的渾儀分為兩個獨立的儀器：簡儀和立運儀。
歷史發展
渾象
歷史上最早記載製造渾象的西漢宣帝時的大司農中丞耿壽昌。他把從渾天說認識到的天球形象化地表現出來，可見渾象的大體形狀應該是個大圓球，在球上布列了許多星辰，大圓球的鏇轉就表演出天象的變化。
有關渾象的最早記載為東漢張衡的《渾天儀圖注》。張衡在前人製造渾象的基礎上也製作了一架水運渾天儀（又叫“漏水轉渾天儀”，），實際上就是一個渾象。
三國時陸績、王蕃，南北朝時錢樂三，唐代一行、梁令瓚，元代郭守敬等都曾製造過渾象，而且都同水力和機械聯繫在一起，以取得與天球的周日轉動同步的效果。
渾儀
中國渾儀的發明大約是在公元前四世紀至公元前一世紀之間（即戰國中期至秦漢時期）。
約公元前3世紀，希臘人製造了西方最早的渾儀。
史籍記載渾儀的製造始於漢落下閎。他是蜀郡人，漢武帝時應召到京師長安參與制訂《太初曆》。落下閎以他製造的渾儀觀測天象，測定了二十八宿的距度、五大行星的運動情況等等，為制定《太初曆》取得了第一手資料。渾儀並不是落下閎最先發明的，他說：年輕的時候就能做這種儀器，那時只根據尺寸製作而已。用這架只有赤道坐標的儀器來度量太陽月亮的運動，發現兩者的運動都不均勻，這同西漢天文學家們的想法不同，於是大家都在找原因，後來發現，日月的運動都是沿黃道的（當時月亮依白道而行的認識還未達到），它們即使在黃道上均勻運動，以赤道來度量當然就是不均勻的了。
公元104年，東漢和帝下令賈逵另制一架儀器，用來測量日月的運動，他在渾儀上增設了黃道環，以黃道來測量日月運動，這就是我國歷史上第一架黃道銅儀。
賈逵用他的黃道銅儀來測量日月的運動，發現太陽的運動顯得均勻了（其實也應該是不均勻的，因他的儀器精度不夠，當時也沒有這樣的認識），而月亮的運動仍是不均勻的。賈逵根據自己的實際觀測，得出結論：月亮的運動是不均勻的。這一發現是改進儀器得到的第一個結果，它導致了曆法的進步，也豐富了人們對天體運動的知識，為以後太陽運動不均勻的發現打下了思想基礎。
唐代，由天文學家李淳風設計了一架比較精密完善的渾天黃道儀。
由於渾儀的圈環過於複雜、遮掩天區，影響觀測，沈括取消白道環並改變一些環的位置。
元代郭守敬取消了黃道環，並把渾儀分為兩個獨立的儀器：簡儀和立運儀。
典籍記載
西漢末揚雄（公元前58-18年）《法言·重黎》篇里寫道：“或問渾天。曰落下閎營之，鮮于妄人度之，耿中丞象之。”
