圭表是一種既簡單又重要的測天儀器，它由垂直的表（一般高八尺）和水平的圭組成。圭表的主要功能是測定冬至日所在，並進而確定回歸年長度，此外，通過觀測表影的變化可確定方向和節氣。
很早以前，人們發現房屋、樹木等物在太陽光照射下會投出影子，這些影子的變化有一定的規律。於是便在平地上直立一根竿子或石柱來觀察影子的變化，這根立竿或立柱就叫做「表」；用一把尺子測量表影的長度和方向，則可知道時辰。後來，發現正午時的表影總是投向正北方向，就把石板製成的尺子平鋪在地面上，與立表垂直，尺子的一頭連著表基，另一頭則伸向正北方向，這把用石板製成的尺子叫「圭」。正午時表影投在石板上，古人就能直接讀出表影的長度值。
經過長期觀測，古人不僅瞭解到一天中表影在正午最短，而且得出一年內夏至日的正午，烈日高照，表影最短；冬至日的正午，煦陽斜射，表影則最長。於是，古人就以正午時的表影長度來確定節氣和一年的長度。譬如，連續兩次測得表影的最長值，這兩次最長值相隔的天數，就是一年的時間長度，難怪我國古人早就知道一年等於365天多的數值。
在現存的河南登封觀星台上，40尺的高台和128尺長的量天尺也是一個巨大的圭表。
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日晷又稱「日規」，是我國古代利用日影測得時刻的一種計時儀器。通常由銅製的指針和石製的圓盤組成。銅製的指針叫做「晷針」，垂直地穿過圓盤中心，起著圭表中立竿的作用，因此，晷針又叫「表」，石製的圓盤叫做「晷面」，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行於天赤道面，這樣，姓氳納隙蘇?彌趕蟣碧旒??露蘇?彌趕蚰鹹旒?Ｔ陘忻嫻惱?戳矯嬋袒??2個大格，每個大格代表兩個小時。當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，太陽由東向西移動，投向晷面的晷針影子也慢慢地由西向東移動。於是，移動著的晷針影子好像是現代鐘錶的指針，晷面則是鐘錶的表面，以此來顯示時刻。
由於從春分到秋分期間，太陽總是在天赤道的北側運行，因此，晷針的影子投向晷面上方；從秋分到春分期間，太陽在天赤道的南側運行，因此，晷針的影子投向晷面的下方。所以在觀察日晷時，首先要瞭解兩個不同時期晷針的投影位置。
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漏刻是古代的一種計時工具，不僅古代中國用，而且古埃及、古巴比倫等文明古國都使用過。漏是指計時用的漏壺，刻是指劃分一天的時間單位，它通過漏壺的浮箭來計量一晝夜的時刻。最初，人們發現陶器中的水會從裂縫中一滴一滴地漏出來，於是專門製造出一種留有小孔的漏壺，把水注入漏壺內，水便從壺孔中流出來，另外再用一個容器收集漏下來的水，在這個容器內有一根刻有標記的箭桿，相當於現代鐘錶上顯示時刻的鐘面，用一個竹片或木塊托著箭桿浮在水面上，容器蓋的中心開一個小孔，箭桿從蓋孔中穿出，這個容器叫做「箭壺」。隨著箭壺內收集的水逐漸增多，木塊托著箭桿也慢慢地往上浮，古人從蓋孔處看箭桿上的標記，就能知道具體的時刻。漏刻的計時方法可分為兩類：洩水型和受水型。漏刻是一種獨立的計時系統，只借助水的運動。後來古人發現漏壺內的水多時，流水較快，水少時流水就慢，顯然會影響計量時間的精度。於是在漏壺上再加一隻漏壺，水從下面漏壺流出去的同時，上面漏壺的水即源源不斷地補充給下面的漏壺，使下面漏壺內的水均勻地流人箭壺，從而取得比較精確的時刻。
現存於北京故宮博物院的銅壺漏刻是公元1745年製造的，最上面漏壺的水從雕刻精緻的龍口流出，依次流向下壺，箭壺蓋上有個銅人彷彿報著箭桿，箭桿上刻有96格，每格為15分鐘，人們根據銅人手握箭桿處的標誌來報告時間。
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渾儀是我國古代的一種天文觀測儀器。在古代，「渾」字含有圓球的意義。古人認為天是圓的，形狀像蛋殼，出現在天上的星星是鑲嵌在蛋殼上的彈丸，地球則是蛋黃，人們在這個蛋黃上測量日月星辰的位置。因此，把這種觀測天體位置的儀器叫做「渾儀」。
最初，渾儀的結構很簡單，只有三個圓環和一根金屬軸。最外面的那個圓環固定在正南北方向上，叫做「子午環」；中間固定著的圓環平行於地球赤道面，叫做「赤道環」；最裡面的圓環可以繞金屬軸旋轉，叫做「赤經環」；赤經環與金屬軸相交於兩點，一點指向北天極，另一點指向南天極。在赤經環面上裝著一根望筒，可以繞赤經環中心轉動，用望筒對準某顆星星，然後，根據赤道環和赤經環上的刻度來確定該星在天空中的位置。
後來，古人為了便於觀測太陽、行星和月球等天體，在渾儀內又添置了幾個圓環，也就是說環內再套環，使渾儀成為多種用途的天文觀測儀器。
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天體儀，古稱「渾象」，是我國古代一種用於演示天象的儀器。我國古人很早就會製造這種儀器，它可以用來直觀、形象地瞭解日、月、星辰的相互位置和運動規律，可以說天體儀是現代天球儀的直接祖先。北京古觀象台上安置的天體儀，是我國現存最早的天體儀，制於清康熙年間，重3850公斤。 天體儀的主要組成部分是一個空心銅球，球面上刻有縱橫交錯的網格，用於量度天體的具體位置；球面上凸出的小圓點代表天上的亮星，它們嚴格地按照亮星之間的相互位置標刻。整個銅球可以繞一根金屬軸轉動，轉動一周代表一個晝夜，球面與金屬軸相交於兩點：北天極和南天極。兩個極點的指尖，固定在一個南北正立著的大圓環上，大圓環垂直地嵌入水平大圈的兩個缺口內，下面四根雕有龍頭的立柱支撐著水平大圈，托著整個天體儀。利用渾象，無論是白天還是陰天的夜晚，人們都可以隨時瞭解當時應該出現在天空的星空圖案。
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水運儀象台是宋代蘇頌、韓公廉等人設計製造的一座大型天文儀器，它把觀測天象的渾儀、演示天象的渾象和報時裝置巧妙地結合在一起，是我國古代一項卓越的創造。水運儀象台高約12米，寬約7米，呈下寬上窄的正方台形，全部為木建築結構。全台分為三部分，最上層是一個可以開閉屋頂的木屋，裡面放置一架銅製渾儀，用來觀測天象；中間部分是一間密室，放置渾象，可以隨時演示天象；最為有趣的是下面的報時裝置，在台的南面可以看到五層木閣，每一層木閣裡都有報時的小木人，他們各司其職，根據不同的時刻，輪流出來報時。它的一套動力裝置「可能是歐洲中世紀天文鐘的直接祖先」。