他發(fā)現(xiàn)“氣體擺”現(xiàn)象，從而提出“氣體擺”新原理，并根據(jù)這一原理發(fā)明了氣體擺式傾角傳感器和氣體線加速度傳感器，獲2001年國家發(fā)明二等獎。利用他發(fā)明的“銻錳酸鉛壓電陶瓷”研制成功的壓電晶體速率陀螺和壓電射流速率傳感器等慣性器件，在航空、航天、艦船、兵器和機器人等技術(shù)領(lǐng)域廣泛應用。他提出“載體水平姿態(tài)改變相當于給石英晶體施加應力，可得到水平姿態(tài)變化與石英晶體頻率的關(guān)系”，并研制成功壓電石英水平姿態(tài)傳感器，已廣泛用于檢測和自動控制系統(tǒng)。他對生物壓電性進行了深入研究，提出“人體由電偶極子組成，在電場作用下電偶極子轉(zhuǎn)向電場方向并尚電場方向移動……”的學術(shù)觀點，并根據(jù)這一觀點發(fā)明的電場治療儀能縮短骨短骨傷愈合期的1/3-1/2，治療陳舊性骨折、骨不連、軟組織損傷、頸椎病、肩時炎、關(guān)節(jié)炎療效顯著，被譽為“張氏治療儀”，產(chǎn)品出口到德國、瑞典、印度、意大利、加拿大、新加坡、美國、阿根廷等國家和香港、臺灣地區(qū)。他先后獲國家發(fā)明獎等國家級獎5項，部委級科技進步獎24項，中、英、美發(fā)明專利16項。主要著作20部，其中《壓電學》（上下冊）獲第四屆全國優(yōu)秀科技圖書獎《機器人技術(shù)及其應用》獲第十三屆中國圖書獎。由于張福學教授的突出業(yè)純績和項獻，1978年全國科學大會授予他“全國科技先進工作者”稱號，1979年國務院授予“全國勞動模范”稱號，1984年國家人事部授予國家級“中青年有突出貢獻專家”稱號，1991年獲國務院政府特殊津貼證書，2003年獲“北京市有突出貢獻專家”稱號。

60年代領(lǐng)先日本兩年發(fā)明銻錳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，突破了一般壓電陶瓷機械品質(zhì)因素高機電耦合系數(shù)必然低的“常規(guī)”，獲國家發(fā)明三等獎。

70年代用該材料研制的壓電陀螺改變了陀螺由高速轉(zhuǎn)子構(gòu)成的傳統(tǒng)概念，和機械陀螺相比，抗震強度和壽命分別提高100倍和1000倍以上，成為東風31號中遠程導彈和052等艦船不可替代的新型陀螺。

在航天、航空、艦船和兵器領(lǐng)域廣泛應用，形成軍工產(chǎn)業(yè)，2002年軍工訂貨達4千萬元，獲部特等獎和國家發(fā)明三等獎。

80年代在研制壓電氣流陀螺中，他在國際上首次發(fā)現(xiàn)“氣體擺”現(xiàn)象，并建立了相應理論，氣體擺慣性傳感器已形成一門新學科分支，產(chǎn)品在艦船、兵器和機器人等領(lǐng)域廣泛應用，獲2001年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。美國隨后亦研究該類傳感器，但其專利落后張3年。

1990年研制的“壓電石英水平姿態(tài)傳感器”和“水下機器人觸（熱）覺傳感器”均獲部科技進步二等獎和發(fā)明專利�！皦弘妼W”、“機器人技術(shù)及其應用”、“現(xiàn)代壓電學”和“壓電晶體陀螺”等6部專著為壓電慣性傳感器奠定了理論基礎(chǔ)，被清華大學等9所高校選作研究生教材，“壓電學”和“機器人技術(shù)及其應用”分別獲1998和2002年中國圖書獎。

培養(yǎng)碩士24人，博士12人。