Technologie Informacyjne Laboratorium Ćwiczenie nr 4 Obróbka danych pomiarowych w programie OriginLab 8 I. Zagadnienia: 1. Importowanie oraz eksportowanie danych 2. Tworzenie wykresów oraz ich formatowanie 3. Dopasowanie funkcjami 4. Wykorzystywanie operacji matematycznych II. Program ćwiczenia: 1. Przygotowanie prawidłowo sformatowanego sprawozdania z przykładowych zajęć laboratoryjnych. W czasie wykonywania ćwiczeń przestrzegaj przepisów BHP! Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki 1
Spis treści 1. Wstęp...3 1.1. Cel ćwiczenia...3 1.2. Wiadomości wstępne...3 1.2.1. Panel główny...3 1.3. Wiadomości praktyczne...4 1.3.1. Import danych...4 1.3.2. Operacje na danych...5 1.3.3. Tworzenie wykresów oraz charakterystyk...5 1.3.4. Dopasowania charakterystyk oraz operacje matematyczne...7 1.4. Uwagi ogólne...9 2. Zadanie do wykonania...9 2
1. Wstęp 1.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z oprogramowaniem OriginLab 8. Jest to pakiet umożliwiający pracę na bardzo dużych danych, przetwarzanie, analizę oraz wizualizację danych pomiarowych i eksperymentalnych. Istnieje możliwość pobrania 7-dniowej wersji testowej ze strony producenta http://www.originlab.com/. Aby przystąpić do jego realizacji, student powinien zapoznać się z informacjami podanymi na wykładzie oraz w poniższej instrukcji. Istnieje możliwość przygotowania części zadań z pkt 2. przed zajęciami, jednak dla zaliczenia ćwiczenia wymagane jest rozumienie wszystkich zastosowanych rozwiązań i umiejętność ich modyfikacji na życzenie prowadzącego zajęcia. 1.2. Wiadomości wstępne 1.2.1. Panel główny 1. Panel główny (rys. 1 oznaczony nr. 1) w części głównej będą wyświetlane wszystkie skoroszyty (workbook), wykresy (Graph), układy stron, notatki itd. 2. Eksplorator projektu (rys. 1 oznaczony nr. 2) rozbudowując projekty możliwe jest tworzenie folderów i podfolderów w celu lepszego zarządzania projektami. W górnej części okna znajduje się drzewo folderów, natomiast w dolnej części wyświetlana jest zawartość folderu. 3. Paski narzędzi (rys. 1 oznaczony nr. 3) w paskach narzędzi znajdują się opcje importu danych, analizy danych, zapisu danych, zarządzania danymi oraz wykresami itd. Rys. 1. Wygląd panelu głównego programu OriginLab 8 3
1.3. Wiadomości praktyczne 1.3.1. Import danych W celu importu danych z pliku tekstowego.txt należy wybrać z paska narzędzi File Import, następnie określić czy pobierane dane są serią pomiarową Multiple ASCII (różne pliki o tej samej budowie wewnętrznej), czy pojedynczym plikiem Single ASCII. Istnieje możliwość zaimportowania plików o innych rozszerzeniach, takich jak np. CSV, dat, XLS. Pod wcześniej wspomnianą ścieżką dostępu występuje również kreator importu (Import Wizard), który jest wykorzystywany do skonfigurowania parametrów, takich jak: import danych do nowego skoroszytu, kolumny; zdefiniowanie nazwy importowanych danych oraz nagłówka; określenia separatora kolumny (kropka, przecinek, spacja itd.). Importowanie danych rozpoczynamy od wybrania ścieżki (1), następnie określamy typ pliku (.txt), zaznaczamy interesujące nas pliki, po czym naciskamy Add File(s), potwierdzamy wybór OK. Zaimportowane dane będziemy umieszczać w nowych skoroszytach. W tym celu wybieramy Start New Books (2) w zakładce Import Mode. Następnie przechodzimy do okna Header Lines, w którym podczas importowania danych definiujemy w którym wierszu znajduje się nazwa kolumny (3), jednostki (4) oraz ewentualnie komentarz (5). Kolejnym krokiem, który należy wykonać jest przejście do okna Data Columns, w którym definiujemy separator danych. W naszym przypadku jest nim tabulator (6). Warto w tym miejscu zaznaczyć różne opcje, takie jak kropka lub przecinek, aby przeanalizować zachodzące zmiany w danych wejściowych. Nie będziemy analizować wszystkich danych wejściowych (7), więc wybieramy 6 kolumn. Ponieważ dane są zapisywane z różnym separatorem dziesiętnym (kropką lub przecinek) należy wybrać odpowiednią opcję w oknie Numeric Separator (8). Importowanie danych kończymy przez naciśnięcie przyciska Finish. Rys 2. Kolejne etapy importowania plików z wykorzystaniem opcji Import Wizard 4
1.3.2. Operacje na danych Porządkowanie danych w bardzo dużych projektach jest istotne, dlatego utworzymy nowy folder w których będziemy gromadzili nowo zaimportowane dane. W exploratorze klikamy PPM na główny folder (UNTITLED), następnie New Folder. Po tym klikamy PPM na nowo utworzony folder i wybieramy New Window Worksheet. W nowoutworzonym skoroszycie klikając na kolumnę PPM rozwija nam się lista opcji do wykorzystania. Pomijając podstawowe, którymi są kopiowanie i wycinanie, dostępne są: sortowanie wartości, przesunięcie kolumny oraz wykreślenie charakterystyki. Bardzo przydanym narzędziem do wykonywania operacji matematycznych na kolumnach lub wierszach, jest opcja Set Columne Value. W konsoli istnieje możliwość wybrania, za pomocą wstążki interesującej nas kolumny, wiersza, operacji matematycznej lub funkcji. Litera I odpowiada kolejnej iteracji, natomiast poniżej wstążki uzupełniamy zakres iteracji (1). Przy wybraniu opcji Auto w Recalculate dane w kolumnie będą automatycznie przeliczane. Rys 3. Okno konsoli Set Columne Value Origin w porównaniu do Exela, ma możliwość operacji na bardzo dużej ilości danych, importowaniu jak i eksportowaniu wielu plików. 1.3.3. Tworzenie wykresów oraz charakterystyk Na podstawie wcześniej uzyskanych informacji, jak manipulować danymi możemy wygenerować przebieg funkcji eksponencjalnej w zakresie od 1 do 100. Podczas generowania wykresu należy pamiętać, aby wartości osi X były zawsze pierwsze, tzn. były zawsze maksymalnie przesunięte w lewą stronę skoroszytu. Po zaznaczeniu obu kolumn należy wybrać z wstążki górnej opcję Plot Line + Symbol Line + Symbol. W przypadku, gdy osie nie zostały opisane przyjmują one nazwę kolumny. Klikając dwukrotnie LPM zostanie wyświetlone okno z opcjami zarządzania wyglądem charakterystyki (rys. 4). Krótko przedstawię w podpunktach opcje z których możemy skorzystać: 1. Scale zmiana zakresu skali w osi X i Y, zmiana typu osi (liniowa, logarytmiczna itd.), zmiana wyświetlania danych (automatyczna, manualna itd.), 2. Title & Format opis osi, 3. Grid Lines linie pomocnicze na osi X i Y, 4. Break konfigurowanie przerwania osi, 5. Tick Labels sposób wyświetlania danych na osi (dziesiętny, naukowy itd.), 5
6. Minor Tick Labels wyświetlanie wartości osi po przeciwnej stronie charakterystyki, 7. Custom Tick Labels konfigurowanie własnych etykiet. Rys. 4. Opcje zarządzania wyglądem charakterystyki Dwukrotnie klikając LPM na wykreślone dane pomiarowe, możemy uzyskać dostęp do sposobu wyświetlania danych (rys. 5.). W zakładce Line konfigurujemy szerokość linii, styl linii (linia przerywana, ciągła), sposób połączenie pomiędzy danymi, w których występuje przerwa w danych. W opcjach Symbol definiujemy wielkość symbolu, kolor. Ostatnia zakładka umożliwia rzutowanie punktów pomiarowych na oś X lub Y oraz zmniejszenia gęstości wyświetlanych punktów pomiarowych. Rys. 5. Okno zarządzania sposobem wyświetlania danych W przyborniku znajdującym się pod wstążka górną, możemy znaleźć możliwość dodawania pola tekstowego, dodawania strzałek, dodawania legendy, auto skalowania, analiza np. matematyczna, zaznaczonych danych dodawania indeksu dolnego lub górnego, a także symboli greckich. W przyborniku można również znaleźć opcje dodawania nowej kolumny oraz importowania danych. Wszystkie wcześniej wymienione opcje można znaleźć w wstążce górnej w opcjach Tools, Graph oraz pozostałych. Dane wygenerowane z ptk. 1.2.3 zostały przedstawione na rysunku 6, bez edycji charakterystyki jak i z edycją. 6
Rys. 6. Charakterystyka bez edycji wyglądu a), charakterystyka z wykonaną edycją b) OriginLab posiada również możliwość tworzenia charakterystyk innego typu, takich jak np. Columne/Bar, MultiCurve, 3D Scrater. Poniżej zostają przedstawione przykładowe wykresy wykonane w OriginLab. Rys. 7. Przykładowe wykresy wykonane w OriginLab W celu wyeksportowania grafiki wybieramy File Export Graph, w wyświetlonym oknie wybieramy lokalizację zapisania pliku, format, rozdzielczość w odpowiednich zakładkach. 1.3.4. Dopasowania charakterystyk oraz operacje matematyczne Dopasowania liniowe i nieliniowe często są wykorzystywane do obliczenia różnego rodzaju parametrów z charakterystyk, np. współczynnik kierunkowy. Oczywiście, można to policzyć analitycznie, jednak w przypadku bardzo skomplikowanej charakterystyki (złożenia wielu funkcji) może to być bardzo czasochłonne. Aby wykonać dopasowanie należy zaznaczyć dane w skoroszycie lub zaznaczyć na charakterystyce naszą funkcję. Następnie przechodzimy do wstążki górnej, Analysis Fitting następnie wybieramy interesującą nas opcję, np. w przypadku funkcji 7
liniowej Fit Linear, oraz nie liniowej Nonlinear Curve Fit. Po wykonaniu czynności zostanie wyświetlona tabela z uzyskanymi parametrami na charakterystyce, jak i na skoroszycie. Wykorzystując postać iloczynową funkcji kwadratowej oraz opcję Nonlinear Curve Fit zostało wykonane dopasowanie i obliczenie parametrów funkcji kwadratowej w postaci ogólnej (rys. 8). Rys. 8. Dopasowanie nieliniowe funkcji kwadratowej Operacje matematyczne, jak np. całkowanie i różniczkowanie funkcji są jedną z najczęściej wykorzystywanych opcji w programie OriginLab. Aby wykonać całkowanie lub różniczkowanie należy zaznaczyć interesujące nas kolumny, następnie przejść do wstążki górnej Analysis Mathematics Integrate/Differentiale, a następnie wybrać Open Dialog. Po wykonanej operacji matematycznej zostanie utworzona nowa kolumna w skoroszycie oraz okno z wynikami operacji matematycznej. Rys. 9. Przykładowe okno wyniku operacji matematycznej 8
1.4. Uwagi ogólne Istnieje możliwość pobrania programu OriginLab w wersji testowej ze strony producenta. Zalecane jest wcześniejsze przygotowanie na zajęcia. W projekcie należy zadbać o dbałość oraz porządek dokumentacji. Każda redagowana charakterystyka powinna reprezentować inny styl (urozmaicony wygląd). Program OriginLab nie rozpoznaje polskich znaków, w związku z czym ich wykorzystanie jest niemożliwe. 2. Zadanie do wykonania W ramach ćwiczenia należy zaimportować plik TI_Lab4_Origin.txt, następnie wykreślić funkcję wskazaną przez prowadzącego i zredagować graficznie, podobnie jak na rysunku 6. Należy pamiętać o przejrzystości charakterystyki, legendzie, jednostkach, itd. Na charakterystyce powinien znajdować się w przybliżeniu jeden okres funkcji. Funkcję określoną przez prowadzącego należy scałkować, a następnie wykreślić na dwóch osobnych osiach X i Y (Multi Curve). Do scałkowanej funkcji należy wykonać dopasowanie wielomianowe (Nonlinear Curve Fit). Kolejnym etapem jest wygenerowanie funkcji kwadratowej na osi odciętych w zakresie od -10 do 10 o dowolnych współczynnikach. W kolejnym etapie ćwiczenia należy scałkować funkcję (wymagane jest włączenie opcji automatycznego przeliczania). Ważnym elementem przy pracy w tego typu danych jest porządek, w związku z czym na ocenę 5.0 należy zadbać, aby dwa projekty znajdowały się w osobnych folderach. Wszystkie wygenerowane charakterystyki powinny znaleźć się na Layout, który można znaleźć w opcjach New Window. Bez względu na etap wykonywanej pracy należy wyeksportować uzyskaną charakterystykę do formatu png z umieszczonym na charakterystyce imieniem i nazwiskiem. Przykładowy Layout na ocenę 5.0 został umieszczony w Dodatku na ostatniej stronie tej instrukcji. Wykonanie zadania będzie oceniane wg. poniższej listy: na 3.0 : import danych, wykreślenie charakterystyki wraz z redakcją graficzną. na 4.0 : j.w + scałkowanie funkcji oraz umieszczenie obu na osobnych wykresach, na 4.5 : j.w + wykonanie dopasowania wielomianowego do scałkowanej funkcji, na 5.0 : j.w. + wygenerowanie funkcji kwadratowej oraz scałkowanie. Prowadzący może poprosić o taką modyfikację dokumentu, aby sprawdzić, czy wprowadzone automatyczne formatowanie i numeracje są przygotowane i działają prawidłowo. 9
Dodatek 10