El voltaje es un potencial y debe referirse a algo. No se puede hablar del "voltaje de este cable", sino del "voltaje de este cable con respecto a este otro cable".
"Este otro cable" se llama comúnmente tierra, o, mejor, referencia. Posiblemente no puede medir un voltaje sin saber a qué potencial se refiere, por lo tanto, no es posible lo que quiere hacer.
Si su señal es una corriente, puede parecer que un solo cable podría funcionar, pero esto tampoco es cierto: digamos que siempre fluye una corriente desde su sensor al Arduino, entonces tiene un flujo de carga neta desde Un dispositivo a otro, y este cargo se acumula en Arduino por tiempo indefinido, lo que no es posible.
Si su señal no tiene componente de CC, podría ser posible usar una sola línea de cable, una AC acoplada en al menos un lado, pero sería muy, muy propenso al ruido.
Es mejor que conectes los terrenos juntos. Si esto no es posible porque no hay espacio para un segundo cable, es probable que deba hacer espacio para él. Si esto no es posible porque los motivos deben permanecer separados, debe usar un circuito un tanto complicado para poder medir correctamente su señal.