方框内为传感器的内部原理等效图，请问该电路能测量出真实的电压值吗？

分压电阻有点不恰当，
假设单片机工作电压3.3V 一般AD 是3V 那么满量程就要是3V
你现在12V分压得到2V

单片机供电的3.3V是不稳定的。只能使用内部的2.5V参考。

这样比例分压是恰当的，但是需要注意的是：
上面一个电容是不必要的，下面一个电容可以根据源波动情况和干扰合理确定。
注意到你的分压电阻下面为20K，合起来阻抗大概是16K这样，这个阻抗一般都会大于普通单片机常规速度采样需要的输入阻抗。解决办法有2个、最简单的，同比如减小上下2电阻值，根据ADC采样输入电阻的官方要求，确定采样回路的阻抗值，2是用一个运放缓冲，这个要多用零部件，正常情况不建议采用。

第一，如果是信号源内阻是低阻的，对传感器而言，这样的阻值是合适的，第二，对ADC而言，不合适，对采样保持电路而言，稳定时间不够，内阻太大，要加缓冲器隔离，加速稳定。

这样比例分压是恰当的

5kohm的电位器，是因为电源电压很小吗？如果不是，这个漏电是可观的。

建议：
1.大电阻分压
2.缓冲输入ADC
3.根据ADC值反推汇算电压值
4.缓冲输入端适当加入过压保护电路

不行的，在传感器电压出来后加一个运放跟随再做分压，不然会影响传感器的内部分压，相当于你把外面的分压电阻并联进了传感器。