复层式恒温恒湿试验箱多为双层或三层结构，各层为独立试验空间。以常见三层结构而言，箱体框架由高强度钢材搭建，稳固可靠。内外箱体间填充聚氨酯泡沫、玻璃纤维棉等高效保温材料，这些材料的导热系数极低，能极大程度降低层与层之间以及箱体与外界的热量交换。例如，在高温层设定为 80℃，低温层设定为 - 20℃的极工况下，高效保温材料可将层间热传导率降低至 0.5W/(m?K) 以下，从根本上避免了某一层的温度变化对其他层产生显著影响，为独立精准控温创造了稳定的物理环境。内箱体常选用 SUS304 或 SUS316 不锈钢材质，其不仅耐腐蚀性强，能在高湿、高低温等恶劣环境下保持性能稳定，而且表面光洁，便于清洁，防止污染物干扰温湿度环境，进一步保障了各层控温的独立性与精准性。

各层配备的独立加热装置，多采用镍铬合金加热丝。这种材料电阻率高、抗氧化性佳，能快速将电能转化为热能。当层内温度低于设定值时，控制器接收高精度温度传感器（如精度可达 ±0.1℃的铂电阻温度传感器）反馈的信号，迅速增大流经加热丝的电流，提升加热功率，促使温度快速上升。例如，某型号试验箱的某一层可在 30 分钟内从常温升至 80℃，且升温过程平稳，速率精准可控，为该层营造出符合测试要求的温度环境。