原油外输过程中超低含水率的在线精确测量对确定原油的品质和保障原油交易时双方的利益有重要的意义．电磁波在含水原油介质中传播时会发生幅值衰减和相位移动，天线作为一种接收和发射电磁波的基本结构，被广泛运用于微波测量系统中．针对天线的谐振特性，设计了一种基于双天线法的超低含水率测量微波传感器，通过测量传感器S21幅值和相位的变化，感测出油水两相流中的含水率．采用COMSOLMultiphysics软件实现了对传感器结构的优化；通过分析传感器的S21响应与含水率变化关系，确定了传感器测量超低含水率的可行性，发现了适合传感器工作的频率范围．采用油水静态混合乳化实验和油水流动实验测试对仿真结果进行了验证．在4.64 GHz频率处，S21幅值和相位随含水率均呈线性变化，S21相位值测量灵敏度高，适用于0～3.00%范围内的含水率测量．随后，根据实验的相位结果，建立了0～3.00%超低含水率范围的油水乳化静态实验和动态实验含水率预测模型，在95%置信概率时，两个模型绝对误差均优于±0.1%．基于本研究给出的微波含水率测量传感器，其油水乳化实验测得含水率可以在一定程度上代替油水动态实验的测量结果．