他发现“气体摆”现象，从而提出“气体摆”新原理，并根据这一原理发明了气体摆式倾角传感器和气体线加速度传感器，获2001年国家发明二等奖。利用他发明的“锑锰酸铅压电陶瓷”研制成功的压电晶体速率陀螺和压电射流速率传感器等惯性器件，在航空、航天、舰船、兵器和机器人等技术领域广泛应用。他提出“载体水平姿态改变相当于给石英晶体施加应力，可得到水平姿态变化与石英晶体频率的关系”，并研制成功压电石英水平姿态传感器，已广泛用于检测和自动控制系统。他对生物压电性进行了深入研究，提出“人体由电偶极子组成，在电场作用下电偶极子转向电场方向并尚电场方向移动……”的学术观点，并根据这一观点发明的电场治疗仪能缩短骨短骨伤愈合期的1/3-1/2，治疗陈旧性骨折、骨不连、软组织损伤、颈椎病、肩时炎、关节炎疗效显著，被誉为“张氏治疗仪”，产品出口到德国、瑞典、印度、意大利、加拿大、新加坡、美国、阿根廷等国家和香港、台湾地区。他先后获国家发明奖等国家级奖5项，部委级科技进步奖24项，中、英、美发明专利16项。主要著作20部，其中《压电学》（上下册）获第四届全国优秀科技图书奖《机器人技术及其应用》获第十三届中国图书奖。由于张福学教授的突出业纯绩和项献，1978年全国科学大会授予他“全国科技先进工作者”称号，1979年国务院授予“全国劳动模范”称号，1984年国家人事部授予国家级“中青年有突出贡献专家”称号，1991年获国务院政府特殊津贴证书，2003年获“北京市有突出贡献专家”称号。

60年代领先日本两年发明锑锰锆钛酸铅压电陶瓷，突破了一般压电陶瓷机械品质因素高机电耦合系数必然低的“常规”，获国家发明三等奖。

70年代用该材料研制的压电陀螺改变了陀螺由高速转子构成的传统概念，和机械陀螺相比，抗震强度和寿命分别提高100倍和1000倍以上，成为东风31号中远程导弹和052等舰船不可替代的新型陀螺。

在航天、航空、舰船和兵器领域广泛应用，形成军工产业，2002年军工订货达4千万元，获部特等奖和国家发明三等奖。

80年代在研制压电气流陀螺中，他在国际上首次发现“气体摆”现象，并建立了相应理论，气体摆惯性传感器已形成一门新学科分支，产品在舰船、兵器和机器人等领域广泛应用，获2001年国家技术发明二等奖。美国随后亦研究该类传感器，但其专利落后张3年。

1990年研制的“压电石英水平姿态传感器”和“水下机器人触（热）觉传感器”均获部科技进步二等奖和发明专利。“压电学”、“机器人技术及其应用”、“现代压电学”和“压电晶体陀螺”等6部专著为压电惯性传感器奠定了理论基础，被清华大学等9所高校选作研究生教材，“压电学”和“机器人技术及其应用”分别获1998和2002年中国图书奖。

培养硕士24人，博士12人。