科学绘图及数据分析软件Origin

1第1章科学绘图及数据分析软件Origin1.1Origin功能简介图表是显示和分析复杂数据的理想方式，因此高端图表工具是科学家和工程师们必备的软件。MicrocalSoftware公司的Origin软件(演示版可以从下载)一直在科学作图和数据处理领域享受较高的声誉，和它的主要竞争对手SPSSScientific公司的SigmaPlot（）和MathSoft公司的Axum相比，它的功能更强大但需要花费更多时间来学习。在最新发布的Origin7.5中，OriginLab公司对它的易用性进行了大量的改进，并彻底调整了其编程语言战略，从而使该软件在同类产品中脱颖而出。现流行的Origin版本有5.0、6.0、6.1、7.0和7.5。Origin包括两大类功能：数据分析和科学绘图。Origin的数据分析功能包括：给出选定数据的各项统计参数平均值（Mean）、标准偏差（StandardDeviation，SD）、标准误差（StandardError，SE）、总和（Sum）以及数据组数N；数据的排序、调整、计算、统计、频谱变换；线性、多项式和多重拟合；快速FFT变换、相关性分析、FFT过滤、峰找寻和拟合；可利用约200个内建的以及自定义的函数模型进行曲线拟合，并可对拟合过程进行控制；可进行统计、数学以及微积分计算。准备好数据后进行数据分析时，只需选择所要分析的数据，然后再选择相应的菜单命令即可。Origin的绘图是基于模板的，Origin本身提供了几十种二维和三维绘图模板。绘图时，只需选择所要绘图的数据，然后再单击相应的工具栏按钮即可。二维图形模板有Line、scatter、line＋symbol、Specialline/symbol、area、fillarea，inclusive/exclusiveareafill、bar、stackbar,floatingbar、pie、high-low-close、functiongraphs、column、stackcolumn、floatingcolumn、XYAMvector、XYXYvector、polar、lineseries、timeseries、waterfall、ternarydiagram、doubleYaxis、multi-panelXY。3D图形模板有XYZscatterwithdroplinesand／orprojections、trajectory、Bar、ribbon、walls、waterfall、Colormapsurfacewithprojectedcontour、wireframe、surfacewithconstantslicesinX/Ydirection、Cubeframe。二维图形可独立设置页、轴、标记、符号和线的颜色，可选用多种线型。选择超过100个内置的符号。调整数据标记（颜色、字体等），选择多种坐标轴类型（线性、对数等）、坐标轴刻度和轴的显示，选择不同的记号，每页可显示多达50个XY坐标轴，可输出为各种图形文件或以对象形式拷贝至剪贴板。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板，可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接；可以方便地进行矩阵运算，如转置、求逆等，并通过矩阵窗口直接输出三维图表；可以用C等高级语言编写数据分析程序，还可以用内置的LabTalk语言编程。MicrocalOrigin象MicrosoftWord、Excel等一样，是一个多文档界面应用程序。它将用户的所有工作都保存在后缀为OPJ的项目文件(Project)中。保存项目文件时，各子窗口也随之一起存盘；另外各子窗口也可以单独保存，以便别的项目文件调用。一个项目文件可以包括多个子窗口，可以是工作表窗口(Worksheet)、绘图窗口(Graph)、函数图窗口(FunctionGraph)、矩阵窗口(Matrix)和版面设计窗口(LayoutPage)等。一个项目文件中的各窗口相互关联，可以实现数据实时更新，即如果工作表中的数据被改动之后，其变化能立即反映到其他各窗口，比如绘图窗口中所绘数据点可以立即得到更新。Origin7.5系统要求为：Windows98／Me／NT4.0/2000/XP/2003，InternetExplorer5.0,PentiumIII以上CPU,100MB以上空余硬盘空间，64MB以上内存。由于Origin的功能2强大，本章将重点介绍本软件7.5Pro（专业版）的数据处理及科学绘图的部分，其余的功能可参考软件的说明书或帮助文件自己学习。1.2Origin使用入门Origin具有Office的多文档界面，主要包括以下几个部分：（1）菜单栏（顶部），可以实现大部分功能。（2）工具栏（菜单栏下面），一般最常用的功能都可以通过此实现。（3）绘图区（中部），所有工作表、绘图子窗口等都在此。（4）工程管理器（下部），类似资源管理器，可以方便切换各个窗口等。（5）状态栏（底部），标出当前的工作内容以及鼠标指到某些菜单按钮时的说明。Origin的使用主要有两个部分，工作表格(Worksheet)和绘图窗口(PlotWindows)。使用绘图窗口，可以方便地更改图形的外貌、直观地进行数学分析、拟合。使用工作表格可以迅速进行大量的数据处理及转换。绝大多数实验数据的处理可以在Origin上完成，并且其数据处理和绘图可以同时完成。例1-1：尿中胆色素经处理后，在550nm处有很强的吸光性，现测得配置好的不同的胆色素浓度的标准溶液的吸光率数据如表1-1所示，假定标准曲线可以用y=a+bx+cx2来表示，试计算出方程的参数值a、b、c的值，在y～x图上绘出拟合曲线，标出实验数据点。表1-1不同胆色素浓度标准溶液的吸光率胆色素浓度（mg/100ml）5075100125150175200225250吸光率0.0390.0610.0870.1070.1190.1630.1790.1940.213（１）启动Origin在“开始”菜单单击Origin程序图标，即可启动Origin。Origin启动后，自动给出名称为Datal的工作表格，见图1-1。3图1-1在Origin的工作窗口中输入数据作图（２）在Worksheet中输入数据工作表Worksheet最左边的一列为数据的组数，一般默认A和B列分别为X和Y数据。在工作表Data1的A(X)、B(Y)分别依序输入胆色素浓度和吸光率的数据，见表1-1。（３）使用数据绘图打开Worksheet窗口，用鼠标选中所有的数据，使用菜单Plot（绘图）中Scatter命令，或使用工具栏Scatter按钮绘图。该图形上点的形状、颜色和大小、坐标轴的形式、数据范围等均可在相应内容所在位置处用鼠标左键点击后出现的窗体中进行调整。（４）回归分析绘图后，选Analysis（分析）菜单中的PolynomialRegression(多项式拟合)命令，出现图1-2所示对话框，在“Order”栏中输入“2”，表示作2次曲线拟合，在“ShowFormulaonPlot?”一栏打钩，拟合结果见图1-3。在ResultsLog窗口（图1-3中曲线右下侧）给出回归求出的参数值，包括拟合参数(A、B1、B2)及各自的标准误差（Error）、标准偏差(SD)、相关系数R、数据点个数N、R=0的概率P等。该窗口的内容可以拷贝粘贴到其它程序中或保存为一个文本文件。相关系数R反映了x和y的相关程度，R=1，表示x,y之间严格符合关系式;R越接近1,x和y的相关程度越大。本题R为0.99063,说明拟合结果很好。（５）文件保存和调用Origin可以将图形及数据保存为扩展名为“．OPJ”的文件，可以随时编辑和处理其中的数据和图形。所绘图形可以直接打印或拷贝粘贴到其它编辑软件(如Word)中。4图1-2拟合方式选项窗口图1-3拟合结果例1-2对离心泵性能进行测试的实验中，得到流量qV、压头H和效率η的数据如表1-2，绘制离心泵特性曲线。表1-2流量qV、压头H和效率η的关系数据序号123456789101112qV/(m3/h)0.00.40.81.21.62.02.42.83.23.64.04.4H/m15.014.8414.5614.3313.9613.6513.2812.8112.4511.9811.3010.53η0.00.0850.1560.2240.2770.3330.3850.4160.4460.4680.4690.431本例涉及到多层图形的绘制，绘制的图形见图1-4，具体步骤如下：（１）启动Origin（２）在Worksheet中输入数据在工作表Data1的A(X)、B(Y)分别依序输入流量qV和压头H的数据。从File（文件）菜单运行New命令打开New对话框，选择Worksheet，单击OK，在新建的工作表Data２中A(X)、B(Y)中分别输入流量qV和效率η的数据。（3）使用数据绘图选择第一组数据（Data1），打开Worksheet窗口，用鼠标选中所有的数据，使用菜单Plot或工具栏中Line+Symbol（线＋点图）/Scatter(散点图)命令绘图。在Edit菜单选择NewLayer(Axes):RightY命令，页面显示有第二层，双击层标，打开Layer２对话框，将Data2加入到Layer２。调整图形格式，可完成多层图形的绘制。[方法二]在工作表中输入数据：在Data1中按ctrl+D快捷键/点鼠标右键AddNewColumn，使工作表增加到三栏。在工作表的A(X)、B(Y)、C(Y)中分别输入流量qV、压头H和效率η数据。使用数据绘图：用鼠标选中Data1中所有的数据，采用Plot:Specialline/symbol:Double-Y命令绘图。调整图形格式，可完成多层图形的绘制。5PolynomialRegressionforData2_B:Y=A+B1*X+B2*X^2+B3*X^3+B4*X^4ParameterValueErrorA-5.35256E-40.00386B10.234880.01338B2-0.057380.01323B30.016130.00462B4-0.00235.20183E-4R-Square(COD)SDNP0.999580.00409120.0001图1-4Origin操作界面（离心泵特性曲线示例）（４）回归分析绘图后，分别选中图层１和２，选Analysis菜单中的FitPolynomial(多项式拟合)命令在图中会产生拟合的曲线。ResultsLog窗口内容如下：（５）文件保存和调用将图形及数据保存为扩展名为“．OPJ”的文件。1.3Origin工作表（Worksheet）的使用1.3.1输入、编辑和保存工作表格Origin工作表格支持许多种不同的数据类型，包括数字、文本、时间、日期等，Origin提供了许多向工作表格输入数据的方法：1)从键盘输入数据PolynomialRegressionforData1_B:Y=A+B1*X+B2*X^2ParameterValueErrorA14.972120.05635B1-0.363940.05954B2-0.140410.01304R-Square(COD)SDNP0.99770.07621120.00016打开或选择一个工作表格，选择一个工作表格单元格(鼠标单击该处)，输入数据，然后按Tab(→)到下一列或按Enter(↓)键到下一行，也可以用鼠标选定任意位置的单元格，再继续输入下一个值(在某单元格输入数据后必须按Tab键、方向键或Enter键将光标移动到其它单元格，才确认刚输入的数据)。←→↓↑光标移动键Enter光标向下移动一单元格←或shift+Tab光标向左移动一单元格(如已是最左边一列，将移到最右面一列)→或tab光标向右移动一单元格(如已是最右边一列，将移到最左面一列)Home光标移到当前列的第一个单元格End光标移到当前列的最后一个单元格P