提出一种基于夹层多模光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）与虚拟游标效应结合的高灵敏度温度传感器，进行了理论分析和实验验证。该光纤MZI是通过在两段1 mm长的阶跃型多模光纤之间拼接一段20 mm的渐变多模光纤制成，夹层多模光纤MZI作为游标效应的传感干涉仪，利用信号处理对该光纤MZI的干涉光谱进行变频得到参考干涉仪光谱，通过叠加传感干涉仪和参考干涉仪的波形实现虚拟游标光谱。实验结果表明，在40~100 ℃温度范围内，该传感系统的温度灵敏度为3.884 nm/℃，与单个夹层多模光纤MZI相比，灵敏度提高了37.346倍。与传统的光纤游标传感器相比，所提出的虚拟游标夹层多模光纤温度传感器具有灵敏度极高、尺寸紧凑、制作简单、成本低、结果更可靠等优点。