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南阳市张衡博物馆位于市北郊二十公里的石桥镇，成立于1984年12月，是在我国东汉时期伟大的科学家、文学家、发明家张衡的墓园基础上，建立的一座集文献收集、科学研究、文物保护、宣传教育、观光旅游为一体的纪念性博物馆。
张衡博物馆隶属于南阳市文化广电旅游局，全供事业单位，编制10人，现有在职职工14人，退休职工6人，其中，大专及以上学历14人，中级职称者9人。内设办公室、财务科、宣教部、后勤科4个科室。馆藏文物1178件，其中2级品57件，3级品509件。藏品上自新石器时代，下迄近、当代，有石器、陶器、瓷器、青铜器、金银器、玉器、字画等，种类较为齐全，一些文物具有较高的历史、艺术和科学研究价值。
张衡（公元78－139年），字平子，东汉南阳郡西鄂县人（今南阳市卧龙区石桥镇），曾任河间相、尚书等职，是我国古代卓越的科学家、文学家、发明家。他在地震、天文、文学、数字、地理、机械制造、艺术等方面为人类作出了伟大的贡献。在地震学方面，他发明创造的“地动仪”，是世界上第一架测定地震及方位的仪器，比欧州早1700多年。在天文学方面，他发明创造了“浑天仪”，是世界上第一台用水力推动的大型观测星象的天文仪器，并著有《浑天仪图注》和《灵宪》等天文学著作，画出了完备的星象图，提出了“月光生于日之所照”的科学论断。在文学方面，著有《二京赋》、《南都赋》、《四愁诗》等30余篇。在地理学方面，绘制有完备的地形图。数学方面，著有《算罔论》，并计算出圆周率的值在3.1466和3.1622之间，这一成果比欧洲早1300多年。在气象学方面，他制造出了“侯风仪”，比西方的风信鸡早1000多年。在机械学方面，他制造的“独飞木雕”是世界上最早的飞行器，还制造有指南车、计里鼓车、土圭、活动日历等。在艺术方面，他是东汉时期著名的六大画家之一。张衡，以其杰出的成就，高尚的品格而名垂青史，为世人所景仰，为国人之骄傲，在世界科学文化史上树起了一座巍巍丰碑。
20世纪50年代，张衡被列为世界文化名人；1953年、1955年、2006年中国先后发行了印有张衡画像及其发明创造的邮票； 1970年，联合国将月球上的一座环形山命名为“张衡山”；1977年把太阳系中一颗编号为1802年小行星命名为“张衡星”；2003年，又把编号为9092的小行星命名为“南阳星”。1956年10月，时任中国科学院院长郭沫若题词：“……如此全面发展之人物，在世界史中亦所罕见。万祀千龄，令人景仰”。1990年5月，原中国科学院院士、全国人大常委会副委员长严济慈题词：“精仪揭天地、科圣著千秋”。1996年9月原中国科学院院长卢嘉锡题词：“张衡是世界文化史上的一座巍巍丰碑”。李铁映、彭清源、赵东宛、袁宝华、钱伟长等原党和国家领导人及众多社会知名人士也纷纷题词或撰写文章盛赞张衡，表达对科圣的景仰之情。
关于张衡墓的记载，最早见于《水经注》。据考证，张衡墓园原有东汉崔瑗《河间相张平子碑》、晋代夏侯湛《张平子碑》，唐代建有翁仲、庙宇、住宅，明清时期曾多次进行重修，后历经战乱，均散失毁废。中华人民共和国建立后，国家对张衡墓园的保护给予了高度重视。1956年，河南省人民政府拨出专款，对张衡墓园和“平子读书台”加以修建。1963年6月，张衡墓被河南省人民政府公布为省级重点文物保护单位， 1988年1月，被国务院公布为全国重点文物保护单位。1984年12月，张衡博物馆成立。1990年9月，国家文物局批复同意了《张衡墓园及博物馆修建规划》。1992年7月张衡博物馆一期工程动工，至2001年8月初具规模，正式对外开放。2009年5月开始，免费向社会开放。
张衡博物馆（一期工程）现占地面积16000平方米，建筑面积2200平方米。整个建筑为仿汉代陵园形制，座北
朝南，中线对称。山门前是一对高大雄伟的汉阙，上覆重檐屋顶，阙身饰有朱雀图形。山门两侧，各有面阔七间的门房，门房顶部各建望楼一座，东西对称。穿过山门，神道两侧各立四尊石象生，雄浑拙朴、栩栩如生。石像生东西两边均为三十多米长的回廊，回廊内常年举办各种临时性展览。沿神道拾阶而上，便是气势巍峨的拜殿，拜殿内有基本陈列《张衡生平成就展》，展览图文并茂，指南车、计里鼓车模型列布其中，详细介绍了张衡的奋斗历程和伟大业绩。拜殿前东西两侧为通高七米，砖混结构的浑天仪、地动仪大型雕塑，向人们展示着这位科学巨匠的伟大发明。拜殿之后，便是张衡墓。墓冢为圆丘形，高8米，周长79米，四周辟有环形甬道。外有八角青砖花墙围护，墓前竖明嘉靖四十三年所刻制墓碑一通，四周松柏簇拥，庄严肃穆。墓前碑楼，墓东为碑林。墓北200米处，是平子读书台，相传为张衡少年时代发奋读书的地方，竖有原南阳行署专员宋绍良所题写的“汉张平子读书台故址”碑。
规划中的张衡博物馆二期工程紧邻一期工程西侧，占地面积33000平方米，建筑面积14000平方米。主要项目有：张衡广场、模拟地震厅、古天文厅、综合展厅、行政办公楼及文物库房。
多年来，张衡博物馆在搞好文物保护和旅游接待的同时，依托自身资源优势，充分发挥宣传教育功能，不断开展丰富多彩的青少年爱国主义教育和科普宣传活动，走出一条具有鲜明特色的建设之路。现有展览为《经天纬地——张衡生平成就展》并先后举办了《张衡生平成就展》、《走近张衡走进科学》校园巡回展、《汉风遗韵》——汉郁平大尹冯君孺人墓画像石拓片•汉代陶器展、《防震减灾科普知识百日巡展》等一批具有较高社会反响的展览，取得了良好的社会效益。举办了《防震减灾》特种邮票首发仪式、张衡诞辰1930周年纪念大会、科圣张衡逝世1875周年拜谒大典等大型宣传活动。先后被国家、省、市有关部门命名为“青少年天文科普教育基地”、“全国青少年教育基地”、“全国防震减灾科普教育基地”、“河南省大中小学生德育基地”、“全省爱国主义教育示范基地”、“河南省青少年科技教育基地”、“南阳市防震减灾宣传教育基地”、“全市爱国主义教育示范基地”、“南阳市青少年科普教育基地”、“南阳市青少年思想道德教育基地”。张衡博物馆已成为我市重要的文物旅游景区和青少年综合性教育基地，在社会主义精神文明建设中发挥着越来越重要的作用。