宋代制造過許多大型的天文儀器。如宋太宗太平興國四年（979）正月，來自四川的民間天文學(xué)家張思訓(xùn)設(shè)計并于次年制成一臺水轉(zhuǎn)渾象，通稱“太平渾儀”，起樓高一丈有余。這臺渾象改水力推動為水銀推動，以解決冬天因水流凝凍遲澀而影響儀器運轉(zhuǎn)速度的問題。與渾象運轉(zhuǎn)聯(lián)動的報時裝置，勝過東漢張衡及后來的一些同類儀器，小木人也增加到十多個?！端问贰ぬ煳闹尽份d：“七值神左搖鈴、右扣鐘、中擊鼓，以定刻數(shù)。每一晝夜，周而復(fù)始。又以木為十二神，各值一時，至其時，則自執(zhí)辰牌，循環(huán)而出，隨刻數(shù)以定晝夜長短”。七值神即七曜值日，實際上，這是一個帶有日歷顯示的時鐘，是采用星期制的報日和報時裝置。其中由金、木、水、火、土加日、月表示七值周期，以金曜日為七值周期之首。這種記日制度，早在唐代《符天歷》和五代時期的《調(diào)元歷》中已經(jīng)使用，宋代建隆四年（963）起行用的《應(yīng)天歷》中，也有七值內(nèi)容。此外，在一天之內(nèi)又分十二辰，由十二神輪流出現(xiàn)報出時辰，而時初、時正和刻數(shù)則分別由鈴、鐘、鼓聲報出。張思訓(xùn)的儀器繼承和發(fā)展了唐代一行和梁令瓚的成果，并對后來的儀象設(shè)計產(chǎn)生了一定的影響。他也因創(chuàng)制儀器有功而升任司天渾儀丞。
宋太宗至道元年（995），天文學(xué)家韓顯符制成一臺供觀測用的銅渾儀，通稱“至道銅候儀”。大中祥符三年（1010）他再造一臺相類似的渾儀，專門用于司天臺培養(yǎng)觀測生的教學(xué)。此外，皇祐三年（1051）舒易簡、于淵、周琮等人制成黃道渾儀；熙寧三年（1070）沈括、皇甫愈等人制成熙寧渾儀。這些儀器每臺用銅量都在兩萬斤左右，各自有一些新的創(chuàng)造。如皇祐渾儀，它的時間分劃一改在地平環(huán)上刻度的舊制，而改刻在固定的赤道環(huán)上，正確反映了天體位置隨時間變化的規(guī)律。熙寧渾儀簡化結(jié)構(gòu)，從計算上去解決月亮在白道上的位置，將渾儀上的白道環(huán)取消，使用方便，而且提高了測量的精度。
天體周而復(fù)始不斷地在天穹運動，不同時刻它們的位置不同，因此，在使用渾儀觀測天體時，相應(yīng)地也要有良好的計時儀器，客觀需要提出了提高漏刻精度的要求。天圣八年（1030）燕肅發(fā)明蓮花漏，在多級漏壺（上匱和下匱）的最后一級漏壺（下匱）上部開孔（分水孔），使壺中的水位恒定地保持在孔下，多余的水由孔經(jīng)注水筒（竹注筒）流入減水盎。由于末級漏壺水位恒定，所以漏水均勻，提高了計時精度?；实v初期，舒易簡、于淵、周琮等人又在蓮花漏的基礎(chǔ)上，再加一級恒定水位的平水壺，從而使漏刻的精度進(jìn)一步提高。
宋代最為精巧的天文儀器，當(dāng)推蘇頌領(lǐng)導(dǎo)研制成功的水運儀象臺。元祐元年（1086），蘇頌奉旨校驗天文院和太史局兩處的新舊渾儀，考察中他發(fā)現(xiàn)同一臺儀器由不同的人去操作，所得測量結(jié)果不同，他們“各指得失，終無定論”。于是他想制造一種以水為動力，渾儀和渾象聯(lián)動并能與天同步運動的儀器。另外，一行、張思訓(xùn)已將這種儀器與報時裝置集為一體，所以新的儀器還要同時解決報時問題。蘇頌首先遇到的困難是缺乏參考資料，正如他自己所寫：“張衡之制，史失其傳；開元舊器，唐世已亡”，本朝“太平渾儀，自思訓(xùn)死，機(jī)繩斷壞，無復(fù)知其法制者”，所以制作新儀必須重新設(shè)計。經(jīng)過蘇頌與精通數(shù)學(xué)、天文學(xué)并有巧思的吏部守當(dāng)官韓公廉等人的反復(fù)研究和精心設(shè)計，新儀從元祐二年（1087）開工制造，三年制成木樣，經(jīng)鑒定和檢驗后，據(jù)此正式鑄造銅儀。元祐七年（1092），這座中國古代最宏偉、最復(fù)雜的天文儀器建成，宋哲宗賜名“元祐渾天儀象”，后人通稱“水運儀象臺”。
蘇頌實現(xiàn)了將渾儀、渾象和報時結(jié)合于一體的設(shè)想，整座儀器使用水力為動力，經(jīng)變速、傳動和控制使三部分儀器聯(lián)動并能跟蹤天體運行。儀器總高約12米，寬約7米，分上、中、下三層，底層是動力與傳動裝置和報時鐘，中層密室中轉(zhuǎn)動著的是渾象，上層為渾儀。渾儀上的望筒可對準(zhǔn)并可自動跟蹤天體，而隨望筒運動的三辰儀時圈則可指示出時間的變化，此外，渾儀所在小室的屋頂可以啟閉，這與現(xiàn)代天文臺上的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)儀鐘與活動圓頂作用相同。
水運儀象臺的報時部分也精巧絕倫。它共分五層，其中三層用于白晝報時，兩層用于夜間報時，共有承擔(dān)報時職能的木人254個，每個時辰分時初與時正，分別由左門小人搖鈴和右門小人敲鐘報出，每至一刻由中門小人擊鼓。第二、三層的木人分別舉辰牌與刻牌，當(dāng)非正點辰刻沒有報時聲的時候可從牌上看出當(dāng)時的時辰與刻數(shù)；第四、五層的木人敲鉦以報更，沒有報更聲的時候可從木人所舉更牌上看出更次。水運儀象臺的整臺儀器由水提供動力自動運轉(zhuǎn)。它的又一項重要發(fā)明是其“天衡”裝置，它類似于近代鐘表的擒縱器（卡子），控制著儀器，使之均勻運動。
國際科學(xué)史界對水運儀象臺的評價極高，認(rèn)為它是現(xiàn)代鐘表的祖先。關(guān)于它留下了較詳細(xì)的記載，特別是其機(jī)械結(jié)構(gòu)、裝配圖等都收于蘇頌所著的《新儀象法要》一書中。
蘇頌還制造過另一臺大型天文儀器，據(jù)《玉?！酚涊d，它是一架假天儀，“大如人體。人居其中，有如籠象。因星鑿竅，如星以備。激輪旋轉(zhuǎn)之勢，中星、昏、曉，應(yīng)時皆見于竅中。星官歷翁，聚觀駭嘆，蓋古未嘗有也?！睋?jù)研究，這臺儀器的主體是用竹條制成的球體，很像一個圓形籠子。表面上再用不透明的紙絹裱糊，并按星宿位置校算開孔①。人坐在密封的球內(nèi)，球面上小孔透過來的光如同夜空中的繁星。這種便于演示和觀察天體運行的儀器，可以說是今日天象儀的鼻祖。
宋代制造的天文儀器，數(shù)量眾多，精密復(fù)雜，并有不少創(chuàng)新，這是中國古代天文學(xué)發(fā)展進(jìn)入高峰的重要標(biāo)志。
